Формирование структуры материалов

Формирование структуры материалов

Формирование структуры материалов

1. Физико-химические закономерности формирования структуры материалов

.1 Строение и свойства материалов

Наиболее характерные свойства металлов

. Высокая электро- и теплопроводность.

. Положительный температурный коэффициент электросопротивления (т.е. повышение электросопротивления при нагреве.)

. Способность к термоэлектронной эмиссии (т.е. испускание электронов при нагреве)

. Повышенная способность к пластической деформации.

. Повышенная отражательная способность.

Твёрдые металлы в обычном состоянии имеют кристаллическое строение (т.е. упорядоченное расположение атомов). В жидком состоянии металлы имеют аморфное строение (т.е. неупорядоченное расположение атомов). Аморфное строение у твёрдых металлов можно получить в результате сверхбыстрой кристаллизации со скоростью 103-109оС/сек. Особенностью металлов является слабая связь внешних электронов со своим ядром. Такие электроны способны отрываться от своего ядра и выходить в межатомное пространство, образуя электронный газ. Таким образом, все металлы состоят из упорядоченно расположённых положительно заряженных ионов и электронного газа. Атомы удерживаются на определённом расстоянии благодаря металлической связи - взаимному притяжению ионов и электронного газа и взаимному отталкиванию соседних ионов.

Кристаллическая решётка - это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой находятся атомы.

Элементарная кристаллическая решётка - это наименьший объём кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объёме.

Типы кристаллических решёток металлов.

. Объёмноцентрированая кубическая (ОЦК) (количество атомов на 1 ячейку - 1/8*8+1= 2)

. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (количество атомов - 1/8*8+1/2*6=4)

. Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (количество атомов - 1/6*12+1/2*2+3=6)

Дефекты кристаллических решёток металлов.

. Точечные

а) Вакансия

б) Межузельный атом.

. Линейные

а) Краевая дислокация

б) Винтовая дислокация.

. Поверхностные дефекты представляют собой неправильные границы раздела между соседними кристаллами в результате их поворота относительно друг друга.

В связи с различным расстоянием между атомами внутри каждого кристалла металла наблюдается анизотропия (различие) свойств в разных направлениях.

Все металлы - тела поликристаллические (т.е. состоят из большого количества различно ориентированных кристаллов), поэтому в целом свойства металлов изотропны (одинаковы) в различных направлениях.

Полиморфизм (аллотропия) - это способность металла испытывать изменение кристаллической решётки при определённых температурах.

Температуры, при которых в металле происходят превращения, называются критическими точками.

К полиморфизму склонны железо, титан, олово, марганец и др.

Критические точки железа.

. 768˚С - точка Кюри (магнитное превращение железа)

. 911˚С - полиморфное (аллотропическое) превращение Feα↔Feγ (ОЦК↔ГЦК)

. 1392˚полиморфное превращение Feγ↔ Feδ(α) (ГЦК↔ОЦК)

. 1539˚С - температура плавления (кристаллизации железа).

Методы исследования структуры металлов.

Макроскопический анализ.

Макроскопический анализ заключается в определении строения материалов невооруженным глазом или через лупу при небольших увеличениях (до 30 раз).

Методом макроанализа определяют:

вид излома - вязкий, хрупкий, нафталинистый, камневидный и т.д.;

нарушение сплошности металла - усадочную рыхлость, центральную пористость, подкорковые пузыри, флокены в стали, дефекты сварки (непровары, газовые пузыри и т.п.);

дендридное строение, зону транскристализации в литом металле;

химическую неоднородность литого металла (ликвацию) и грубые включения;

волокнистую структуру деформированного металла.

Макроструктура может быть исследована непосредственно на поверхности заготовки или детали, в изломе или, что делается чаще, на вырезанном образце, после его шлифования и травления специальными реактивами.

Образец металла, поверхность которого подготовлена для макроанализа, называется макрошлифом.

Для приготовления макрошлифа из детали вырезают образец, его поверхность выравнивают и шлифуют поочерёдно несколькими видами наждачной бумаги, начиная с самой крупнозернистой. При смене бумаги на более мелкозернистую изменяют направление шлифования на 90˚.

Методы макроанализа.

Исследование излома, по виду которого определяется характер разрушения. Вязкий излом обычно имеет матовую волокнистую поверхность, а хрупкий - блестящую кристаллическую. Смешанный излом имеет области вязкого и хрупкого разрушения.

Выявление неоднородности распределения (ликвации) серы производится по методу Баумана: макрошлиф протирают ватой, смоченной спиртом, а затем на отшлифованную поверхность накладывают лист бромсеребрянной фотобумаги, вымоченной на свету в 5%-ном растворе серной кислоты в течение 5-10 минут и слегка просушенной фильтровальной бумагой. Бумагу приглаживают сверху рукой для удаления пузырьков образующихся газов и выдерживают на макрошлифе в течение 3-15 минут. Полученный отпечаток промывают в воде, фиксируют в 25%-ном водном растворе гипосульфита, снова промывают в воде и просушивают. Полученные на фотобумаге участки коричневого цвета указывают на места, обогащённые серой. Если фотобумага имеет равномерную окраску, следовательно, сера распределена равномерно.

Появление тёмных участков в местных, обогащённых серой, объясняется тем, что сначала между серной кислотой, впитанной в фотобумагу и включениями MnS, в виде которых сера находится в стали, происходит реакция:

+ H2SO4 = MnSO4 + H2S.

Образующийся сероводород действует на бромистое серебро эмульсионного слоя, в результате получается сернистое серебро, имеющее темно-коричневый цвет:

AgBr + H2S = Ag2S + 2HBr.

3. Выявление дефектов методом глубокого травления производится следующим образом:

а) отшлифованную поверхность образца протирают ватой, смоченной спиртом;

б) в водяную баню, установленную в вытяжном шкафу (так как при травлении выделяются ядовитые газы), помещают фарфоровую ванну с реактивом, состоящим из 100 мл HCl и 100 мл воды, и нагревают до температуры 60-70оС;

в) образец при помощи щипцов погружают в горячий реактив и выдерживают в нем от 10 до 45 минут;

г) после выдержки образец при помощи щипцов вынимают из реактива, промывают водой, а затем 10-15 %-ным водным раствором азотной кислоты и просушивают.

Кислота более сильно растравливает дефекты, чем сплошной металл, и они видны невооруженным глазом.

Выявление ликвации фосфора, поверхностных дефектов производят методом поверхностного травления макрошлифа или сварного соединения в реактиве Гейна (53 г NH4Cl, 85 г CuCl2 в 1000 мл воды) при 20 оС:

а) макрошлиф протирают ватой, смоченной спиртом;

б) образец погружают в реактив и выдерживают 1-2 мин, пока вся его поверхность не покроется медью;

в) струей воды с поверхности смывают слой меди и просушивают образец.

Более темные места показывают расположение дефектов (пор, ликвации фосфора и др.)

Микроскопический анализ.

Микроанализ-излучение строения металлов и сплавов с помощью металлографических микроскопов при увеличении в 50-2000 раз.

При помощи микроанализа определяют:

· форму и размеры кристаллических зёрен, из которых состоит металл или сплав;

· изменение внутреннего строения сплавов, происходящее под влиянием различных режимов термической и химико-термической обработки, а также после внешнего механического воздействия на сплав;

· микропороки металла - микротрещины, раковины и т.п.;

· наличие и виды неметаллических включений - сульфиды, окислы и др.

Микроскопический анализ включает приготовление микрошлифов и исследование их с помощью металлографического микроскопа. Микрошлиф изготавливают как и макрошлиф, но дополнительно ещё полируют специальными пастами и фетром до зеркального состояния, затем образец подвергают травлению растворами кислот с целью выявления структуры. Для исследования микрошлифов применяют оптические и электронные микроскопы. В оптическом микроскопе для получения изображения используются световой луч, а в электронном - поток электронов.

Физические методы исследования и контроля качества металлов и сплавов

. Термический анализ применяют для определения критических точек металлов и сплавов. Для этого в огнеупорном тигле 2 расплавляют исследуемый сплав 3 (рис. 1)

Рис. 1 Схема установки для изучения процесса кристаллизации термическим методом

В расплавленный металл помещают горячий спай термопары 4, защищённой фарфоровым колпачком 6, холодные края термопары 5 подключена к потенцемоментру 7. Термопары и потенцемометр позволяют замерять температуру при охлаждении металлов до комнатной температуры. По данным экспериментам строится кривая охлаждения металла. Точки перегибов на этой кривой соответствуют критическим точкам.

Дилатометрический анализ основан на изменении объёма металла в процессе полиморфных превращений. Образец помещают в специальный прибор дилатометр и отслеживают изменения объёма в процессе нагрева или охлаждения. Таким образом определяют критические точки металла.

Рентгеноструктурный анализ даёт возможность установить типы кристаллических решёток металлов и сплавов, а так же их параметры. Определение структуры металлов, размещения атомов в кристаллической решётке и измерение расстояния между ними основано на дифракции рентгеновских лучей рядами атомов в кристалле, т.к. длина волн этих лучей соизмерима с межатомными расстояниями в кристаллах. Зная длину волн рентгеновских лучей, можно вычислить расстояние между атомами и построить модель расположения атомов.

Рентгеновский контроль основан на проникновении рентгеновских лучей сквозь тела, непрозрачные для видимого света. Проходя сквозь металлы, рентгеновские лучи частично поглощаются, причём сплошным металлом лучи поглощаются сильнее, чем в тех местах, где находятся газовые, шлаковые включения или трещины. Величину, форму и род этих пороков можно наблюдать на светящемся экране, установленном по ходу лучей за исследуемой деталью. При установке на место экрана кассеты с фотопластинкой или плёнкой получают снимок исследуемого объекта. Рентгеновским исследованием можно обнаружить внутри детали даже микроскопические дефекты.

Магнитная дефектоскопия.

Для выявления трещин, волосовин, пузырей, неметаллических включений внутри деталей применяют также магнитную дефектоскопию. Магнитные испытания складываются из трёх основных операций: намагничивания изделий, покрытия их ферримагнитным порошком, наружного осмотра и размагничивания изделий.

У намагниченных изделий с пороками магнитные силовые линии, стремясь обогнуть места пороков, ввиду их пониженной магнитной проницаемости выходят за пределы поверхности изделия и затем входят в него, образуя неоднородное магнитное поле. Поэтому при покрывании изделий магнитными порошками частицы порошков располагаются над пороком, образуя резко очерченные рисунки.

Ультразвуковая дефектоскопия.

Ультразвуковая дефектоскопия позволяет испытывать не только ферромагнитные, но и парамагнитные материалы и выявлять пороки в их толщине на значительной глубине (свыше 1 м), где они не могут быть обнаружены магнитным методом.

Для исследования материалов применяют ультразвуковые колебания частотой от 2 до 10 МГц. При такой частоте колебания распространяются в материале подобно лучам, почти не рассеиваясь по сторонам. Ими можно “просвечивать” материалы на глубину свыше 1 м. Ультразвук отражается на поверхности раздела разнородных сред. Поэтому ультразвук не проходит через трещины, раковины, включения, образуя акустическую тень. Для излучения и приёма ультразвука пользуются ультразвуковыми дефектоскопами, снабжёнными пьезоэлектрическим излучателями и приёмниками.

Метод радиоактивных изотопов.

В металлургии и металловедении радиоактивные изотопы применяют для разных целей. Например, в шлак вводят радиоактивные изотопы фосфора, серы, марганца и изучают скорость перехода этих элементов в металл и скорость восстановления их равновесного распределения между металлом м шлаком в металлургических плавках при изменении температуры или состава шлака. Введение радиоактивного углерода в железо при цементации позволяет изучить скорость диффузии и распределения углерода в нём.

Для выявления распределения олова в никеле в жидкий сплав добавляют радиоактивное олово; затвердевший сплав кладут на кассету с фотопластинкой и после соответствующей выдержки пластинку проявляют. Получают микрорадиограмму, на которой места расположения атомов радиоактивных изотопов засвечены. Атомы радиоактивного изотопа ведут себя так же, как обычные атомы, что позволяет определить расположение исследуемых атомов.

Радиоактивные изотопы помогают следить за износом кладки металлургических печей, деталей машин и т.д. При пользовании радиоактивными изотопами необходимо строго соблюдать правила предосторожности от опасного облучения.

1.2 Формирование структуры литых материалов

Кристаллизация - процесс перехода металла из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое.

Металл, как любая термодинамическая система, стремится к более устойчивому состоянию, обладающему наименьшим запасом свободной энергии. Графики зависимости свободной энергии жидкого и твёрдого состояния металла от температуры имеют вид.

Кривые пересекаются в точке, соответствующей равновесной температуре tр, при которой одновременно происходят плавления и кристаллизация металла. Для того, чтобы устойчиво происходила кристаллизация, необходимо переохладить металл ниже равновесной температуры. Степень переохлаждения будит равна разности равновесной температуры tр и температуры кристаллизации tк.

∆t= tр - tк

Кривые охлаждения чистого металла, построенные в результате кристаллизации образцов с различной скоростью представлены на рисунке.

Из графиков видно, что чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения ниже равновесной температуры.

Теорию кристаллизации сформулировал Чернов Д.К.: при охлаждения металла ниже равновесной температуры в нём возникают участки кристаллического строения - зародыши (центры) кристаллизации. При дальнейшем охлаждении они растут. В местах сопрокосновения с гранями соседних кристаллов они прекращают свой рост, но продолжается рост граней, соприкасающихся с жидкой фазой. В результате они приобретают неправильную геометрическую форму, поэтому кристаллы металла называют зернами или кристаллитами.

Факторы влияющие на размер зерна при кристаллизации.

Скорость охлаждения (чем она выше, тем меньше зерно);

Температура нагрева металла.

Химический состав металла, в том числе присутствие в расплавленном металле тугоплавких примесей, которые являются центрами кристаллизации и измельчают зерно.

Модифицирование - введение в расплавленный металл небольшого количества примесей, практически не влияющих на химический состав металла и образующих тугоплавкие соединения, с целью измельчения зерна.

Дендриты - это кристаллы древовидной формы, чаще всего образующиеся при кристаллизации.

зона - тонкая плотная корочка из мелких равноосных дендритов, образующихся при высокой скорости охлаждения в первый момент кристаллизации.

зона - столбчатые кристаллы, вытянутые вдоль линии теплоотвода.

зона - крупные равноосные кристаллы, образующиеся при медленном охлаждении и равномерном теплоотводе в последний момент кристаллизации в центре слитка.

В случае сильного перегрева металла и быстрого охлаждения третья зона не образуется - это называется транскристаллизацией.

.3 Диаграммы состояния сплавов

Сплав - это вещество, полученное сплавлением двух и более компонентов.

Компонент - это химические элементы, входящие в состав сплава.

Фаза - это однородная часть сплава, имеющая одинаковый состав, строение, свойства, агрегатное состояние и отделённая от других фаз границей раздела.

Под структурой сплавов понимают форму, размеры, характер взаимного расположения фаз в металлических сплавах.

Виды фаз в металлических сплавах зависят от характера взаимодействия компонентов.

Виды фаз в металлических сплавах

Жидкий расплав образуется в случае полного растворения компонентов сплава друг в друге при расплавлении.

Кристаллы чистых компонентов образуют механическую смесь, если компоненты между собой не взаимодействуют. Количество фаз будет равно количеству компонентов.

Химическое соединение - это фаза, при образовании которой возникает абсолютно новая кристаллическая решетка, отличная от решёток компонентов. Состав химических соединений постоянен, поэтому его можно выразить формулой. Свойства химических соединений резко отличается от свойств компонентов.

Твёрдый раствор - это фаза, при образовании которой один из компонентов сохраняет свою решетку, а атомы второго компонента растворяются в ней.

а) Твёрдые растворы замещения образуются, когда атомы растворенного компонента замещают атомы растворителя в узлах кристаллической решетки. Эти растворы могут иметь не ограниченную или ограниченную растворимость компонентов друг в друге.

б) Твёрдые растворы внедрения образуются, если атомы растворённого компонента располагаются в межузельных пространствах растворителя. Твёрдые растворы внедрения имеют ограниченную растворимость компонентов и образуются у металлов с неметаллами (углеродом, азотом, бором и др.)

Общие закономерности взаимодействия устойчивых фаз могут быть охарактеризованы правилом фаз или законом Гиббса ( для случаев, когда давление в системе постоянно):

= k-f+1,

где с - число степеней свободы системы;

к - количество компонентов в сплаве;- количество фаз в сплаве в данный момент времени и при данной температуре.

Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов.

Обычно для построения диаграмм состояния пользуются результатами термического анализа, то есть строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибам на этих кривых, вызванным тепловым эффектом превращений, определяют температуры превращений. Температуру сплава обычно измеряют с помощью термопары.

Для этого в печь 1 (рис.1) помещают тигелёк 2, в котором расплавляют исследуемый сплав 3. Затем в расплав погружают горячий спай 4 термопары 5 (защищённой фарфоровым или кварцевым колпачком 6) и выключают печь.

Начинается охлаждение и температуру отмечают через определённые промежутки времени c помощью потенциометра 7. Появление изменений в агрегатном или фазовом состоянии характеризуется перегибами на кривой охлаждения сплава. Имея достаточное количество сплавов и определив в каждом сплаве температуры превращений, можно построить диаграмму состояния.

Рассмотрим построение диаграммы состояния на примере сплавов свинца и сурьмы. С использованием метода термического анализа были построены кривые охлаждения (рис.2).

Над кривыми охлаждения приведены составы соответствующих сплавов. Первая кривая относится к чистому свинцу (рис. 2 а). При температуре выше 327оС свинец находится в жидком состоянии. При 327оС происходит кристаллизация свинца и ниже 327оС свинец находится в твёрдом состоянии. Следовательно, на кривой охлаждения свинца отрезок 0-1 соответствует охлаждению жидкости, отрезок 1-1′ - кристаллизации и 1′-2 - охлаждению твёрдого сплава.

Кривая на рисунке 2 б относится к сплаву, содержащему 95 % свинца и 5 % сурьмы. Кристаллизация начинается при температуре 300 оС (точка 1) и происходит при понижении температуры на участке 1-2 с выделением кристаллов свинца, а затем при постоянной температуре 246 оС (на участке 2-2′) с выделением эвтектики, состоящей из чередующихся кристаллов свинца и сурьмы. На участке 2′-3 происходит охлаждение твёрдого сплава.

Рис. 2. Кривые охлаждения сплавов Pb - Sb

У сплава, содержащего, 90% свинца и 10% сурьмы кристаллизация будет происходить так же, как и у предыдущего сплава, только она начнётся при более низкой температуре - 260 оС (рис. 2 в).

Кривая охлаждения сплава, содержащего 87% свинца и 13% сурьмы, показывает, что его кристаллизация происходит при постоянной температуре 246 оС, в результате чего одновременно кристаллизуются кристаллы свинца и сурьмы.

Сплав, содержащий 75% свинца и 25% сурьмы (рис. 2, д), начинает кристаллизоваться с температуры 340 оС и на участке 1-2 при понижении температуры до 246 оС из него выделяются кристаллы сурьмы, а затем кристаллизация происходит при постоянной температуре 246 оС с выделением эвтектики, состоящей из кристаллов свинца и сурьмы (участок кривой охлаждения 2-2′).

Таким образом, анализ кривых охлаждения показывает, что у сплавов свинца и сурьмы происходит эвтектическая реакция, то есть одновременная кристаллизация из жидкости кристаллов свинца и сурьмы, при температуре 246 оС, что характеризуется горизонтальным участком на кривой охлаждения сплава. Это означает, что эвтектическая реакция происходит при постоянной температуре и концентрации компонентов в жидкости - 87% свинца и 13% сурьмы. У сплавов, содержащих менее 13% сурьмы (доэвтектоидных) вначале из жидкости выделяются избыточные кристаллы свинца, а у сплавов, содержащих более 13% сурьмы (заэвтектоидных) вначале из жидкости выделяются избыточные кристаллы сурьмы. Но у всех сплавов кристаллизация заканчивается эвтектоидной реакцией.

Следовательно, используя кривые охлаждения сплавов, можно определить температуры начала и конца кристаллизации. Точки начала кристаллизации называются точками ликвидус, а точки конца кристаллизации - точками солидус.

Для построения диаграммы состояния Pb - Sb используют кривые охлаждения нескольких сплавов свинца и сурьмы (рис.2). По этим кривым определяют температуры критических точек, в данном случае ликвидус и солидус и заносят их в таблицу.

Таблица 1 Критические точки сплавов свинца и сурьмы

Их наносят на систему координат температура-концентрация компонентов (рис.3).

На построенную систему координат наносят точки ликвидус и солидус для каждого сплава (рис. 4).

Затем точки ликвидус соединяют одной линией, а точки солидус другой линией, в результате чего получают диаграмму состояния сплавов, состоящих из свинца и сурьмы (рис. 5).

Линию начала кристаллизации называют линией ликвидус, а окончания кристаллизации - солидус. Горизонтальная линия на диаграмме показывает, что кристаллизация сплавов заканчивается эвтектоидной реакцией, происходящей при температуре 246 оС. Таким образом, получилась диаграмма состояния первого рода. Компоненты этих сплавов взаимно нерастворимы в твёрдом состоянии и не образуют химических соединений, но неограниченно растворимы в жидком состоянии.

Рис. 3. Построение системы координат

Рис. 4. Построение критических точек сплавов Pb-Sb

рис. 5. Построение линий диаграммы состояния Pb - Sb

Крайние точки этой системы координат соответствуют чистым компонентам (100 % свинца и 100 % сурьмы). Каждая точка оси концентраций соответствует сплаву определённого состава. На оси координат отмечают концентрацию только одного компонента (в данном случае сурьмы), а концентрация второго компонента соответственно равна 100% минус концентрация сурьмы.

Диаграмма состояния позволяет определить температуры критических точек любого сплава данного состава, структуру твёрдого сплава, а также решить вопрос о том, можно ли добиться изменения структуры сплава в результате термической обработки. Поскольку технологические и эксплуатационные свойства сплавов тесно связаны с их микроструктурой, то диаграммы состояния сплавов имеют большое значение для практического металловедения.

Вид диаграммы состояния определяется характером взаимодействия компонентов сплава между собой.

Типы диаграмм фазового равновесия двухкомпонентных сплавов.

Диаграмма состояния первого рода (рис.6) характерна для сплавов, компоненты которых неограниченно растворимы друг в друге в жидком состоянии, не растворимы в твёрдом состоянии и не образуют химических соединений.

Линия CED - ликвидус, MN - солидус. При охлаждении линия CE показывает начало выделения кристаллов А, линия ED - кристаллов В. На линии MN из жидкости одновременно выделяются кристаллы А и В (эвтектическая реакция).

Для доэвтектического сплава I кривая охлаждения имеет вид, показанный на рисунке 7а.

На этой кривой участок выше точки 1 соответствует охлаждению жидкости, (1-2) - выделению кристаллов А, (2-2′) - эвтектической реакции LЕ↔А+В, (2′ -3) - охлаждению твёрдого сплава, состоящего из кристаллов А и эвтектики (А+В). Схема, представленная ниже кривой охлаждения (рис.7 а), показывает строение сплава в разные моменты кристаллизации.

Кривая охлаждения эвтектического сплава II (рис. 7 б) состоит из трёх участков: (0-2) - охлаждение жидкости, (2-2′) - эвтектической реакции LЕ↔А+В, (2′ -3) - охлаждению твёрдого сплава, состоящего из кристаллов эвтектики (А+В).

Рис. 6. Диаграмма состояния первого рода

Рис 7. Кривые охлаждения сплавов

Кривая охлаждения III заэвтектического сплава (рис. 7 в) включает следующие участки: (0-1) - охлаждение жидкости, (1-2) - выделение кристаллов В, (2-2′) - эвтектическая реакция LЕ↔А+В, (2′-3) - охлаждение твёрдого сплава, состоящего из кристаллов В и эвтектики (А+В). Схема, представленная ниже кривой охлаждения (рис. 5 в), показывает строение сплава в разные моменты кристаллизации.

Диаграмма состояния второго рода (рис. 8 а) характерна для сплавов, компоненты которых неограниченно растворимы в жидком и твёрдом состоянии и не образуют химических соединений.

Рис. 8. Диаграмма состояния второго рода (а), кривая охлаждения сплава К (б), схема изменения структуры сплава К (в)

В этом случае возможно существование только двух фаз - жидкого расплава L и кристаллов твёрдого раствора α.. Линия АmB является линией ликвидус, AnB - солидус. Кривая охлаждения сплава К(рис.6 б) включает три участка: (0-1) - охлаждение жидкости, (1-2) - выделение кристаллов α из жидкости, (2-3) - охлаждение сплава, состоящего из кристаллов твёрдого раствора α. Изменение структуры сплава при охлаждении до комнатной температуры показано на схеме (рис.8 в).

Диаграмма состояния третьего рода характерна для сплавов, компоненты которых неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно растворимы в твёрдом состоянии и не образуют химических соединений. В таких сплавах может происходить эвтектическая LE↔ α + β (рис.9 а) и перитектическая реакции LP + β ↔ α (рис.10 а).

В этом случае в сплавах образуются следующие фазы: жидкий расплав, кристаллы твёрдых растворов α и β.

На диаграмме с эвтектикой линия CED - ликвидус, ADCB - солидус (рис. 7). Кривая охлаждения доэвтектического сплава I (рис. 7 б) состоит их следующих участков: (0-1) - охлаждение жидкости; (1-2) - выделение кристаллов твёрдого раствора α из жидкости; (2-2) - охлаждение твёрдого сплава, состоящего из кристалловα; (3-4) - выделение кристаллов βII из твёрдого раствора α в связи с понижением растворимости компонента В в компоненте А. Изменение структуры этого сплава показано на схеме (рис.9 г).

Кривая охлаждения доэвтектического сплава II (рис.9 в) состоит их следующих участков: (0-1) - охлаждение жидкости; (1-2) - выделение кристаллов твёрдого раствора ά из жидкости; (2-2`) - эвтектическая реакция LE↔ ά + β ; (3-4) - охлаждение сплава, состоящего из кристаллов твёрдого раствора ά и эвтектики (ά + β). Изменение структуры этого сплава показано на схеме (рис.9 д).

Рис. 9. Диаграмма состояния третьего рода с эвтектикой (а), кривые охлаждения сплавов (б, в), схемы изменения структур сплавов (г, д)

На диаграмме с перитектикой линия CED - ликвидус, CMND - солидус (рис.10 а). На кривой охлаждения сплава I (рис.10 б) участок (1-2) соответствует выделению кристаллов β из жидкости, (2-2`) - перитектической реакции L Е + β ↔ ά , (2`-3) - выделению кристаллов ά из жидкости, (3-4) - охлаждению кристаллов твёрдого раствора ά. Изменение структуры сплава при охлаждении показано на схеме (рис. 10 г).

На кривой охлаждения сплава II (рис. 10 в) участок (1-2) соответствует выделению кристаллов β из жидкости, (2-2`) - перитектической реакции LЕ + β ↔ ά ,

 (2`-3) -охлаждению твёрдого сплава, состоящего из кристаллов твёрдых растворов ά.и β. Изменение структуры сплава II при охлаждении показано на схеме (рис. 10 д).

Рис. 10. Диаграмма состояния третьего рода с перитектикой (а), кривые охлаждения сплавов (б, в), схемы изменения структур сплавов (г,д)

Диаграмма состояния четвёртого рода характерна для сплавов, компоненты которых неограниченно растворимы в жидком состоянии и образуют химическое соединение (рис. 11) или твёрдый раствор на базе химического соединения (рис.12).

Рис.11 Диаграмма состояния 4 рода с Рис.12. Диаграмма состояния 4 рода с  устойчивым химическим соединением твёрдым раствором на базе химического  соединения

Если компоненты сплава нерастворимы в твёрдом состоянии (рис.11), то образуются жидкий расплав, кристаллы компонентов А и В и кристаллы химического соединения AnBm. В этом случае в сплавах в зависимости от состава могут протекать эвтектические реакции:

↔А+ AnBm (линия СЕD)↔ AnBm +В (линия DЕ1 F)

Если компонеты сплава ограниченно растворимы в твёрдом состоянии (рис.12), то образуются жидкий расплав, rристаллы твёрдых растворов ά и β, кристаллы твёрдого раствора на базе химического соединения γ. В этих случаях в зависимости от состава сплава могут протекать эвтектические реакции:

↔ ά + γ (линия СЕD)

L↔ γ + β (линия DЕ1 F)

Как известно, вид диаграммы состояния зависит от характера взаимодействия компонентов в нём, а, следовательно, между видом диаграммы состояния и свойствами сплава существует определённая связь (рис.13).

Метод изучения изменений свойств в зависимости от изменения состава и построения диаграммы состав-свойства был положен Курнаковым Н.С. в основу разработанного им физико-химического анализа сплавов.

Рис. 13. Связь между диаграммой состояния и некоторыми свойствами сплавов

Анализ фазовых превращений по диаграмме состояния.

Диаграмма состояния сплава позволяет определить характер фазовых превращений при медленном охлаждении или нагреве, а также структуру в твёрдом состоянии для любого сплава, состоящего из данных компонентов. Для этого через точку, соответствующую исследуемому сплаву проводят вертикальную линию и отмечают точки пересечения этой линии с линиями диаграммы (критические точки). По ним строят кривую охлаждения или нагрева и анализируют фазовые превращения. Однофазные области диаграммы показывают, что фазовых превращений не происходит, а происходит только охлаждение или нагрев сплава. Двухфазные области диаграммы характеризуют фазовые превращения. Участки кривой охлаждения или нагрева в двухфазных областях будут иметь меньший наклон, чем в однофазных областях, так как образование новой фазы при охлаждении идёт с выделением тепла, а распад одной из фаз при нагреве происходит с поглощением тепла, то есть скорость охлаждения уменьшается.

Горизонтальные линии показывают, что в сплавах, состоящих из данных компонентов, происходит эвтектическая, перитектическая или эвтектоидная реакция. При эвтектической реакции в результате охлаждения жидкости происходит одновременная кристаллизация кристаллов двух видов. Перитектическая реакция также происходит при кристаллизации - взаимодействие жидкого расплава и ранее образовавшихся кристаллов одной фазы приводит к образованию новых кристаллов. Эвтектоидная реакция происходит в твёрдом состоянии и представляет собой распад одной фазы с образованием двух новых фаз в результате полиморфного превращения. Если вертикальная линия, соответствующая сплаву пересекает горизонтальную прямую, то на кривой охлаждения этому соответствует горизонтальная площадка, показывающая, что в сплаве происходит реакция.

В любой точке диаграммы можно определить количество степеней свободы данной системы, используя закон Гиббса. Состояние любой термодинамической системы (сплава) можно характеризовать следующими параметрами: температурой, давлением, концентрацией компонентов. Если принять, что все превращения в сплаве происходят при постоянном давлении, то закон Гиббса (правило фаз) будет иметь вид:

c=k-f+1,

где с - число степеней свободы системы, то есть число внешних и внутренних факторов (температура, концентрация компонентов), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе.

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация, и количество каждой фазы (количество жидкой фазы уменьшается, а твёрдой увеличивается). В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию, используя правило отрезков.

Первое положение правила отрезков гласит:

чтобы определить концентрацию компонентов в фазах через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область диаграммы; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.

Для того чтобы определить количественное соотношение фаз в сплаве при заданной температуре пользуются вторым положением правила отрезков:

· количество фаз будет обратно пропорционально длине отрезков, отсекаемых линией, соответствующей составу данного сплава, на горизонтальной прямой, соответствующей заданной температуре.

Рассмотрим фазовые превращения сплава, содержащего 40% алюминия (Al ) и 60% кремния (Si ), используя диаграмму состояния Al- Si (рис.14). Для построения кривой охлаждения данного сплава проведём вертикальную линию, соответствующую этому сплаву (рис.14).

Точки пересечения этой линии с линиями диаграммы обозначим цифрами 1, 2, 3 и спроецируем их на ось координат «температура-время» (рис. 14). Участок выше точки 1 соответствует охлаждению жидкости, которое происходит при постоянном повышении температуры, поэтому он будет выглядеть в виде наклонной линии (рис.15).

Участок 1-2 будет соответствовать процессу кристаллизации твёрдого раствора β из жидкости. Так как образование кристаллов происходит с выделением тепла, то на этом участке наклон кривой охлаждения уменьшается (рис.16).

Горизонтальная линия на диаграмме состояния показывает, что в сплавах системы Al-Si кристаллизация заканчивается эвтектической реакцией, происходящей при температуре 577 оС. При этой реакции из жидкости, содержащей 88,3 % Al и 11,7 % Si, одновременно выделяются кристаллы твёрдых растворов ά и β. Так как эвтектическая реакция происходит при постоянной температуре, то на кривой охлаждения этот процесс будет представлен горизонтальным участком 2-2′ (рис.17).

Рис. 14 Диаграмма состояния Al-Si

В точке 2 кристаллизация сплава заканчивается, следовательно участок 2′-3 соответствует процессу охлаждения твёрдого сплава, состоящего из кристаллов твёрдого раствора β и эвтектики (ά + β), и представляет собой наклонную кривую (рис.18).

Рис. 15. Построение участка кривой, соответствующего охлаждению жидкости

Рис. 16. Построение участка кривой 1-2

Рис. 17 Построение участка кривой 2-2′

Рис. 18. Диаграмма состояния Al-Si, кривая охлаждения сплава, содержащего 60% Si

Описывать фазовые превращения необходимо следующим образом:

Выше точки 1 происходит охлаждение жидкости. Так как в сплаве присутствует одна фаза - жидкость, состоящая из двух компонентов - Al и Si, то согласно правилу фаз число степеней свободы на этом участке составит c=k-f+1=2-1+1=2.

При температуре точки 2 начинается процесс кристаллизации. На участке 1-2 из жидкости выделяются кристаллы твёрдого раствора β (c=k-f+1=2-2+1=1). Так как кристаллизация происходит с выделением тепла, то изменяется наклон кривой охлаждения.

По достижении температуры точки 2 (577 оС) в жидкости содержится 88,3 % Al + 11,7 % Si, в результате чего происходит эвтектическая реакция с выделением эвтектики (ά + β). Так как в сплаве одновременно присутствуют три фазы - жидкость, кристаллы ά и кристаллы β, то это состояние нонвариантного равновесия (c=k-f+1=2-3+1=0). Этому процессу соответствует горизонтальный участок кривой охлаждения.

Ниже температуры точки 2 сплав полностью находится в твёрдом состоянии. На участке 2′-3 происходит охлаждение сплава, состоящего из кристаллов твёрдого раствора β и эвтектики (ά + β). Этот сплав является заэвтектоидным.

Определим состав фаз и их количественное соотношение для данного сплава, содержащего 40% алюминия (Al ) и 60% кремния (Si ), при температуре 900оС. Для этого в соответствующей области диаграммы проведём горизонтальную линию, соответствующую температуре 900оС, до пересечения с линиями диаграммы. Полученные точки пересечения обозначим b, a, c (рис.18).

Так как точка b находится на линии ликвидус, то согласно правилу отрезков она показывает состав жидкости - 63 % Al + 37 % Si.

Так как точка c находится на линии солидус, то согласно правилу отрезков она показывает состав твёрдой фазы - кристаллов твёрдого раствора β - 3% Al + 97% Si.

Для определения количественного соотношения фаз - жидкости и кристаллов твёрдого раствора β воспользуемся вторым положением правила отрезков:

Количество жидкости будет равно /bс*100%= (97-60)/(97-37)*100% = 37/60*100% = 61,7 %

Количество кристаллов твёрдого раствора β будет равно/bс*100%= (60-37)/(97-37)*100% = 23/60*100% = 38,3%

Диаграмма состояния железо-углерод.

Диаграмма состояния «железо-углерод» («железо-цементит») характеризует особенности процесса кристаллизации, фазовый состав и микроструктуру жезезоуглеродистых сплавов - сталей и чугунов. Она построена в координатах «температура - концентрация компонентов» (рис.19).

Рис. 19 Диаграмма состояния «железо-углерод»

 Железо - это металл, имеющий полиморфные превращения при температурах 911оС и 1392оС. Полиморфные модификации железа принято обозначать Feα (ОЦК-решётка) и Feγ (ГЦК-решётка). При температуре 911оС Feα ↔ Feγ, а при температуре 1392 оС Feγ ↔ Feα. Кроме того, при температуре 768 оС (точка Кюри) происходит магнитное превращение железа. Температура плавления железа - 1539 оС.

Углерод способен растворяться в Feα и Feγ, образуя твёрдые растворы - феррит и аустенит, а также образовывать c железом химическое соединение - цементит.

Таким образом, в железоуглеродистых сплавах образуются следующие фазы: жидкий расплав (жидкость), феррит, аустенит, цементит.

Жидкость принято обозначать Ж или L (от слова «ликвидус»).

Феррит- это твёрдый раствор углерода в Feα, максимальная концентрация углерода в котором составляет 0,02% (у низкотемпературного Feα). Его принято обозначать Ф, α или Feα. На диаграмме состояния феррит существует в областях AHN и GPQ. При понижении температуры растворимость углерода в феррите понижается в соответствии с линией PQ.

Аустенит - это твёрдый раствор углерода в Feγ, максимальная концентрация углерода в котором составляет 2,14%. Его принято обозначать А, γ или Feγ. На диаграмме состояния аустенит существует в области NJЕSG. При понижении температуры растворимость углерода в аустените понижается в соответствии с линией ES.

Цементит - это химическое соединение железа и углерода Fe3С, имеющее постоянную концентрацию углерода - 6,67%. На диаграмме ему соответствует линия DL.- линия ликвидус, AHJECF - линия солидус.

Координаты точек диаграммы приведены в таблице 2.

Таблица 2. Точки диаграммы «железо-цементит»

У сплавов, содержащих более 2,14% углерода (чугунов), кристаллизация заканчивается эвтектической реакцией, при которой из жидкости, содержащей 4,3% углерода, одновременно кристаллизуются аустенит и цементит (ледебурит): Lc↔АЕ+Ц. Эвтектическая реакция происходит при температуре 1147 оС и на диаграмме ей соответствует линия ECF. Структура ледебурита представлена на рисунке 21 б.

Так как железо склонно к полиморфным превращениям, то и его твёрдые растворы также претерпевают превращения, которые происходят в виде перитектической и эвтектоидной реакций.

Перитектическая реакция происходит при температуре 1499 оС и ей на диаграмме соответствует линия HJB. Она заключается во взаимодействии жидкости, содержащей 0,5% углерода, и кристаллов феррита (0,1% С) с образованием аустенита (0,16% С): Lв+Фн↔Аj

Эвтектоидная реакция происходит при температуре 727 оС и ей на диаграмме соответствует линия PSK. Она заключается в распаде аустенита, содержащего 0,8 % С на феррит (0,02 % С) и цементит (перлит): АS↔ФP+Ц. Структура перлита представлена на рисунке 20 д.

В зависимости от содержания углерода, а следовательно и структуры в равновесном состоянии железоуглеродистые сплавы принять классифицировать на следующие группы:

. техническое железо - сплавы железа и углерода, содержащие менее 0,02 % С и состоящие из феррита и третичного цементита (рис.30 а);

. стали - сплавы железа и углерода с содержанием углерода 0,02-2,14 %;

а) доэвтектоидные стали содержат более 0,02, но менее 0,8 % С и состоят из феррита и перлита (рис.20 б,в);

б) эвтектоидная сталь содержит 0,8 % С и имеет структуру пластинчатого перлита (рис.20 д);

в) заэвтектоидные стали содержат более 0,8 % до 2,14 % С и состоят из перлита и вторичного цементита (рис.20 г);

Рис. 20 Микроструктуры технического железа и сталей

. чугуны - сплавы железа и углерода с содержанием углерода более 2,14 %;

а) доэвтектические чугуны содержат более 2,14, но менее 4,3 % С и состоят из перлита, вторичного цементита и ледебурита (рис.21 а );

б) эвтектический чугун содержит 4,3 % С и имеет структуру ледебурита (рис.21 б);

в) заэвтектические чугуны содержат более 4,3 до 6,67 % С и состоят из первичного цементита и ледебурита (рис.21 в).

Рис. 21 Структуры белых чугунов

.4 Формирование структуры деформированных металлов и сплавов

Прочность - это способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних сил.

Твёрдость - это способность материала сопротивляться деформации в поверхностном слое при местном силовом контактом воздействии.

Пластичность - это способность материала изменять свою форму под действием внешних сил, не разрушаясь.

Упругость - это способность материала восстанавливать свою форму после снятия внешнего воздействия.

Вязкость - это способность материала поглощать механическую энергию, сохраняя при этом пластичность вплоть до разрушения.

Упругая деформация - не оставляет изменение в теле после снятие нагрузки, а пластическая оставляет. Пластическая деформация приводит к смещению атомов в новое положение, из которого они не могут вернуться в исходное положения.

Пластическая деформация происходит в результате скольжения или двойникования атомных плоскостей. Вначале скольжение осуществляется благодаря дефектам - дислокациям, которые перемещаются в кристаллах металлов. В результате скольжения плоскостей количество дефектов возрастает, и они уже препятствуют скольжению атомных плоскостей. То есть при деформации прочность металла увеличивается, а пластичность снижается - это явления называется наклёпом.

В результате деформации зёрна металла приобретают текстуру - закономерную ориентировку в направлении действующей силы. При нагреве металла до невысоких температур (100-200оС) происходит возврат - уменьшение упругих искажений решётки, приводящее к незначительному снижению твёрдости. А при нагреве до температуры, составляющей 0,4-0,5 от температуры плавления, происходит рекристаллизация - образования и рост новых равноосных зёрен вместо деформированных. Прочность металла снижается, а пластичность повышается практически до исходного состояния.

Виды механических испытаний металлов.

Статические испытания проводятся при постоянной или медленно возрастающей нагрузке.

а) испытание на растяжение;

б) определение твёрдости.

Динамические испытания проводятся под действием быстро возрастающей нагрузки или удара.

Циклические испытания проводятся при знакопеременных нагрузках

а) испытания на усталость.

Технологические пробы.

а) испытание на осадку

б) испытание на сжатие и т.д.

Испытания на растяжение

Для испытаний используют стандартные образцы цилиндрической формы, которые закрепляются в захватах разрывной машины и растягиваются до разрыва.

Пишущий механизм машины фиксирует диаграмму растяжения. Большинство металлов имеют диаграмму растяжения, представленную на рисунке.

Для некоторых металлов (низкоуглеродистых сталей, латуней) она имеет вид, представленный на рисунке.

На ней присутствует практически горизонтальная площадка, обозначающая явление текучести, т.е. удлинение образца практически без увеличения нагрузки на определённом этапе деформации. До точки В деформация имеет упругий характер, а затем пластический. Точка С показывает начало площадки текучести. Точка D показывает максимальную нагрузку, которую способен выдержать образец без разрушения. Точка Е показывает момент разрушения. По диаграмме растяжения определяют величины прочности, пластичности и упругости металлов.

Величины характеризующие прочность металла.

. Физический предел текучести - это наименьшее напряжение, при котором без заметного увеличения нагрузки продолжается деформация образца:

σт=Pc/So,

где Pc - нагрузка в точке С,- площадь поперечного сечения образца до испытания.

. Условный предел текучести - это напряжение, при котором образец получает удлинение, равное 0,2 % расчётной длины.

σ0,2=P0,2/So,

где P 0,2 - нагрузка, которая вызывает удлинение образца, составляющее 0,2% расчётной длины;- площадь поперечного сечения образца до испытания.

Предел прочности (временное сопротивление растяжению) - это максимальное напряжение, которое способен выдержать образец без разрушения:

σв=Pmax/So,

где Pmax - нагрузка в точке D,- площадь поперечного сечения образца до испытания.

Величины, характеризующие пластичность

Относительное удлинение образца:

δ=(l-l0)/l0,

где l0 и l - длина образца до и после испытания.

Относительное сужение площади поперечного сечения образца:

ψ=(S0-S)/S0,

где So и S - площадь поперечного сечения образца до и после испытания.

Величины, характеризующие упругость.

Модуль упругости - это отношение напряжения в металле к соответствующему относительному удлинению в пределах упругой деформации:

Е=σ/δ

Методы определения твёрдости металлов.

Наиболее распространёнными способами определения твёрдости металлов являются методы Бринелля, Роквелла, Виккерса.

. Испытание на твердость по Бринеллю производится вдавливанием в испытуемый образец стального шарика диаметром D = 10 или 5 или 2,5 мм под действием заданной нагрузки Р в течение определенного времени. Для этого используется автоматический рычажный пресс.

В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Диаметр лунки d измеряют специальной лупой, а затем определяют твёрдость Бринелля по формуле:

Таким образом твердость Бринелля измеряют в МПа или кгс/ мм2.

Для того, чтобы испытание произвести без ошибки, необходимо правильно подобрать нагрузку и диаметр шарика.

. Определение твёрдости по Роквелу.

В этом методе твёрдость определяют по шкалам прибора (А,B,C). Наконечником служит алмазный конус с углом при вершине 120˚ или стальной закалённый шарик. Алмазный конус применяют для испытаний твёрдых, а шарик для мягких металлов. Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками: предварительной - 100 Н и основной (для шарика - 900 Н, для алмазного конуса - 1400Н для очень твёрдых образцов и 500Н для тонких образцов). Твердость по Роквелу обозначается HRA при нагрузке 600Н (шкала А), HRC при нагрузке 1500Н (шкала С) и HRB при нагрузке 1000Н (шкала В).

. Определение твёрдости при вдавливании алмазной пирамиды по Виккерсу.

Метод используют для определения твёрдости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоёв, имеющих высокую твёрдость. Твёрдость определяют вдавливанием в испытуемую поверхность четырёхгранной алмазной пирамиды с углом при вершине 136о.

Твёрдость по Виккерсу HV рассчитывают по формуле:

где Р - нагрузка на пирамиду;

d - среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеряемых после снятия нагрузки, м.

Определение микротвёрдости.

Определение микротвёрдости необходимо для изделий мелких размеров и отдельных структурных составляющих сплавов. Прибор для определения микротвёрдости состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытуемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 0,05-5Н. Твёрдость Н определяют по той же формуле, что и твёрдость по Виккерсу.

Образцы для измерений должны быть подготовлены так же, как микрошлифы.

Испытания на ударный изгиб.

Испытания проводят на стандартных образцах прямоугольного сечения с концентратором напряжений посредине. Образец разрушают одним ударом маятникового копра. По шкале копра определяют полную работу удара К. По формуле определяют ударную вязкость:

=K/S0,

где S0 - начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора напряжений.

В зависимости от вида и формы концентратора напряжений ударную вязкость обозначают KCU, KCV или KCT.

Также этот вид испытаний проводят при различных температурах для определения порога хладноломкости - температуры перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому. По результатам испытаний строят кривую зависимости ударной вязкости от температуры испытания.

Хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе для стали можно различить по виду излома. Порог хладноломкости определяют по проценту волокна (В, %) матовой, волокнистой составляющей в изломе. За порог хладноломкости Т50 принимается температура, при которой имеется 50 % волокна в изломе.

Испытания на усталость.

Усталостью метала называют разрушение под действием повторяющихся или знакопеременных напряжений.

Усталостный излом состоит из двух зон:

· зона усталости

· зона долома

Трещина чаще возникает на поверхности. Сопротивление металла циклическому нагружению характеризуется пределом выносливости, т.е. наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения за большое число циклов N (105-108 и более)

Для испытание на усталость используют не менее 10 образцов которые подвергают знакопеременным напряжениям. Каждый образец испытывают при определённой нагрузке и подсчитывают число циклов нагружения, которые привели к разрушению образца. По данным эксперимента строят график зависимости числа циклов нагружения от величины напряжения.

Горизонтальный участок, т.е. максимальное напряжение, не вызывающее разрушения при бесконечно большом числе перемен нагрузки, соответствует пределу выносливости σR.

1.5 Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов

Термическая обработка - это изменение структуры стали путём нагрева выдержки и охлаждения с соблюдением установленных режимов.

Обозначение критических точек стали при нагреве и охлаждении.

Ас- нагрев

Аr - охлаждение

. Ас1=727°С - эвтектоидная реакция при нагреве - П→А

Аr1=727°С - эвтектоидная реакция при охлаждении - А→П

.Ас2=768°С - исчезновение магнитных свойств при нагреве.

Аr2=768°С - появление магнитных свойств при охлаждении.

. Ас3 - критическая точка доэвтектиктоидных сталей (линия GS) - превращение Ф→А при нагреве.

Аr3-критическая точка доэвтектоидной стали, показывающая превращение А→Ф при охлаждении.

.Асm- критическая точка заэвтектоидных сталей (линия ES), показывающая превращение А↔ЦII.

Превращения в сталях при нагреве.

а) доэвтектоидная сталь состоит из Ф и П.

Ас1 - П→А

(Ас1-Ас3) - Ф→А

>Ас3 - выравнивание концентрации углерода в аустените и рост зёрен аустенита.

б) эвтектоидная сталь состоит из П.

Ас1 - П→А

>Ас1 - выравнивание концентрации углерода в аустените и рост зёрен аустенита.

в) заэвтектоидные стали состоят из П и ЦII

Ас1 - П→А

(Ас1- Асm) - ЦII→А

> Асm - выравнивание концентрации углерода в аустените и рост зёрен аустенита.

Размер зерна стали задаётся при нагреве и при охлаждении он не изменяется, поэтому сталь нагревают не более чем на 30 - 50°С выше критической точки.

Превращения в сталях при охлаждении

Перлитное превращение происходит при наименьшей скорости охлаждения (вместе с печью или на воздухе) и имеет диффузионный характер. Оно заключается в диффузии атомов углерода из аустенита с образованием цементита и последующем полиморфном превращении аустенита в перлит. В результате образуется структура, состоящая из пластинок феррита и цементита.

а) При охлаждении со скоростью менее 50оС/сек в интервале температур 727-650оС образуется перлит с толщиной смежных пластинок феррита и цементита 0,6-1 мкм.

б) При охлаждении со скоростью 50-100оС/сек в интервале температур 650-600оС образуется сорбит с толщиной смежных пластинок феррита и цементита 0,2-0,3 мкм (рис.22 а).

в) При охлаждении со скоростью 100-150оС/сек в интервале температур 600-500оС образуется троостит с толщиной смежных пластинок феррита и цементита 0,1-0,15 мкм (рис.22 б).

Чем меньше толщина пластинок феррита и цементита, тем выше твёрдость.

Рис. 22. Структура сорбита (а) и троостита (б)

2. Бейнитное превращение происходит при охлаждении со скоростью 150-200оС/сек в интервале температур 500-250оС. В начале превращения ещё возможна диффузия атомов углерода с образованием небольших включений цементита, но при температуре, близкой к 250оС, она прекращается и аустенит превращается в низкоуглеродистый мартенсит.

. Мартенситное превращение происходит при охлаждении со скоростью более 200оС/сек в интервале температур ниже 250оС. Диффузия атомов углерода при таких низких температурах невозможна, поэтому аустенит превращается в мартенсит - пересыщенный твёрдый раствор углерода в Feα, обладающий максимальной твёрдостью (рис.23).

Рис. 23. Структура мартенсита

Любой вид термической обработки включает 3 этапа:

. нагрев.

. выдержка

. охлаждение

Виды термической обработки:

.отжиг

. нормализация

. закалка

. отпуск

. термомеханическая обработка

. старение

Отжиг - это операция нагрева, выдержки и замедленного охлаждения (обычно вначале с печью до 600-700оС, а затем на воздухе) с целью устранения физической или химической неоднородности, а также получения равновесной структуры.

Виды отжига

. Отжиг первого рода предназначен для выравнивания физической или химической неоднородности.

а) Гомогенизация - это нагрев сталей до 1100-1200оС, длительная выдержка 15-20 часов и замедленное охлаждение для устранения химической неоднородности. Гомогенизации подвергают слитки или крупные отливки из легированной стали с целью устранения ликваций, так как ликвации снижают пластичность и вязкость стали. В результате гомогенизации получается крупное зерно, которое обычно устраняется при последующей обработке давлением. Фасонные отливки после диффузионного отжига подвергают полному отжигу или нормализации для измельчения зерна и улучшения свойств.

б) Рекристаллизационный отжиг - это нагрев холоднодеформированной стали выше температуры рекристаллизации (680-740оС), выдержка 0,5-1,5 часа и последующее замедленное охлаждение. Этот вид отжига обычно применяют перед холодной обработкой давлением и как промежуточную операцию для снятия наклёпа при холодном деформировании. Он приводит к рекристаллизации - образованию и росту новых равноосных зёрен вместо деформированных, что вызывает снижение твёрдости и повышение пластичности.

в) Отжиг для снятия остаточных напряжений - это нагрев металла до 200-700оС (чаще 350-600оС), выдержка несколько часов и замедленное охлаждение вместе с печью. Этому виду отжига подвергают отливки, сварные изделия, детали после обработки резанием, в которых в результате неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации возникли остаточные напряжения. Заметных изменений структуры при таком виде отжига не происходит.

. Отжиг второго рода предназначен для получения равновесной структуры, то есть в результате такого отжига у доэвтектоидных сталей получают феррито-перлитную (рис. 30 б,в), эвтектоидных - перлитную (29 а), а заэвтектоидных - перлито-цементитную структуру (30 г).

а) Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30-50оС выше Ас3, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений и последующем медленном охлаждении. В результате получают мелкозернистую феррито-перлитную структуру, обладающую хорошей обрабатываемостью резанием. Обычно металл загружают в печь непосредственно после выгрузки предыдущей садки при температуре печи 400-500оС. Охлаждение проводят с печью до температуры 550-650оС, а затем на воздухе. Полному отжигу подвергают сортовой прокат, поковки и фасонные отливки.

б) Изотермический отжиг - это нагрев, как и для полного отжига, сравнительно быстрое охлаждение до 600-650оС (обычно переносом металла в другую печь), изотермическая выдержка при этой температуре в течение нескольких часов и охлаждение на воздухе. По своему назначению изотермический отжиг аналогичен полному, но применяется он только для небольших отливок, поковок и других деталей.

в) Неполный отжиг - это нагрев сталей на 10-30оС выше точки Ас1, охлаждение вначале с печью до 550-650оС, а затем на воздухе. Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для улучшения обрабатываемости резанием. Но чаще всего неполный отжиг применяют для заэвтектоидных сталей и называют его сфероидизацией, так как в результате сталь приобретает зернистую (сфероидальную) форму перлита. Зернистый перлит (рис.29 б) лучше обрабатывается резанием и давлением.

Нормализация - это вид отжига, который заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30-50оС выше Ас3, а заэвтектоидной стали выше Аcm, непродолжительной выдержке для завершения превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную на предыдущих стадиях обработки металла. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска. Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах и получению структуры сорбита или троостита (рис.39). Это повышает твердость и прочность нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожжённой.

Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига. Повышая твердость, нормализация обеспечивает большую производительность при обработке резанием и получение более чистой поверхности. Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высокого отпуска. В этом случае механические свойства несколько ниже, но детали подвергаются меньшей деформации при резком изменении температуры, чем при закалке, что практически исключает вероятность появления трещин. Нормализацию с высоким отпуском (600-650оС) часто используют для исправления структуры легированных сталей вместо полного отжига, так как производительность при этом выше.

Закалка заключается в нагреве стали на 30-50оС выше Ас3 для доэвтектоидных сталей или Ас1 для заэвтектоидных сталей, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Для углеродистых сталей в качестве охлаждающих сред применяются вода или водные растворы солей, а для легированных - масло. В результате закалки доэвтектоидные и эвтектоидные стали приобретают структуру мартенсита (рис.23), а заэвтектоидные - мартенсита с включениями вторичного цементита. Таким образом, значительно повышается твёрдость и прочность.

Виды закалки

Объёмная;

Поверхностная.

Способы закалки.

Непрерывная закалка производится в одном охладителе.

Ступенчатая закалка производится вначале в жидкости, имеющей температуру 180-250оС, а затем на воздухе.

Изотермическая закалка осуществляется так же, как и ступенчатая, но с более длительной выдержкой в жидкой среде.

Закаливаемость - это способность сталей повышать твёрдость в результате закалки.

Прокаливаемость - это способность сталей получать закалённый слой с высокой твёрдостью на ту или иную глубину.

Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска и медленнее охлаждение. Поэтому изделия сложной формы во избежание их коробления следует охлаждать медленно после отпуска (обычно на воздухе). Изделия из легированных сталей, склонных к возникновению отпускной хрупкости, следует охлаждать быстро (в воде или масле).

Виды отпуска

. Низкий отпуск проводят с нагревом ниже температуры 250оС. При этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переходит в отпущенный мартенсит (рис.24), повышается прочность и немного улучшается вязкость, без заметного снижения твердости. Однако такая сталь не выдерживает значительных динамических нагрузок. Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали после поверхностной закалки, цементации, цианирования или нитроцементации.

Рис. 24. Структура мартенсита отпуска

. Средний отпуск выполняют при 350-500оС и применяют главным образом для пружин, рессор и штампов. Такой отпуск обеспечивает структуру троостита отпуска (рис.25), а, следовательно, высокий предел упругости, предел выносливости и релаксационную стойкость.

Рис. 25. Структура троостита отпуска

3.Высокий отпуск проводят при 500-680оС. Структура стали после высокого отпуска - сорбит отпуска (рис.26), который обеспечивает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Высокому отпуску подвергаются изделия из среднеуглеродистых и высоколегированных сталей.

Рис. 26 Структура сорбита отпуска

Закалка с высоким отпуском называется улучшением и применяется для конструкционных сталей марок 40, 45, 40Х, 40ХНМ, 40ХМФ и др.(полуоси, коленчатые валы, шатуны, поворотные кулаки, рычаги, болты, гайки и другие детали).

Термомеханическая обработка (ТМО) - это сочетание пластической деформации стали в аустенитнм состоянии с последующей закалкой и низким отпуском с целью повышения прочности и вязкости. Деформация приводит к наклёпу металла, а закалка, проводимая сразу после деформации, приводит к дополнительному повышению прочности.

Виды ТМО.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) проводится при температуре 400-600оС (выше температуры начала мартенситного превращения, но ниже температуры рекристаллизации).

Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) проводится при температуре выше точки Ас3.

Химико-термическая обработка - это насыщение поверхности сталей различными компонентами (углеродом, азотом, алюминием, кремнием и др.) для улучшения свойств поверхностного слоя.

Виды химико-термической обработки

. Цементция - это насыщение поверхности стали углеродом при температуре 910-950оС с целью повышения твёрдости, износостойкости поверхностного слоя деталей, работающих при ударных нагрузках и поверхностном износе (шестерни, втулки, пальцы, ролики и др.). Цементации подвергают низкоуглеродистые стали, содержащие менее 0,3%С (10, 15, 20, 15Х, 20Х, 15ХН, 20ХН, 12ХН3А и др.), чтобы сердцевина детали сохраняла высокую вязкость.

.Азотирование - насыщение поверхности стали азотом при температуре 500-600оС в атмосфере газообразного аммиака для повышения твёрдости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости в воздухе, воде, паре зубчатых колёс, цилиндров двигателей, деталей станков и др. Азотированию подвергают среднеуглеродистые стали, содержащие хром, молибден, ванадий, вольфрам, алюминий - 38Х2МЮА, 40ХН2МА.

Нитроцементация и цианирование- насыщение поверхности стали азотом и углеродом одновременно с целью повышения твёрдости, износостойкости, предела выносливости деталей. Эти процессы имеют то же назначение, что и цементация. Нитроцементация проводится в газовой среде из аммиака и науглероживающенго газа при температуре 840-860оС, а цианирование - в расплавленных цианистых солях при температуре 820-960оС.

. Диффузионная металлизация

а) алитирование - насыщение стали алюминием для повышения коррозионной стойкости и жаростойкости деталей газогенераторных машин, разливочных ковшей, клапанов, чехлов термопар и др.

б) силицирование - насыщение стали или чугуна кремнием для повышения коррозионной стойкости в морской воде и кислотах, а также износостойкости оборудования химической, бумажной, нефтяной промышленности, трубопроводов и др. в)цинкование - насыщение поверхности стали цинком для повышения коррозионной стойкости в атмосфере, воде, бензине. г)хромирование - насыщение поверхности стали хромом для повышения коррозионной стойкости в воде, морской воде, азотной кислоте и жаростойкости в газах. д)борирование - насыщение поверхности бором для повышения твёрдости, износостойкости и коррозионной стойкости деталей нефтяных насосов, штампов, пресс-форм, машин для литья под давлением.

РАЗДЕЛ 2. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МАШИНО- И ПРИБОРОСТРОЕНИИ

.1 Конструкционные материалы

Классификация сталей:

по химическому составу:

а) углеродистые

б) легированные

. по содержанию углерода:

а) низкоуглеродистые (менее 0,25% C)

б) среднеуглеродистые (от 0,25% - 0,6% C)

в) высокоуглеродистые (больше 0,6% C)

. по содержанию легирующих элементов

а) низколегированные стали содержат меньше 2,5% легирующих элементов;

б) среднелегированные стали содержат 2,5-10% легирующих элементов;

в) высоколегированные стали содержат больше 10% легирующих элементов. формирование материал кристаллический обработка

4.по назначению:

а) конструкционные:

1) стали общего назначения (строительные, цементуемые, улучшаемые, автоматные)

2) стали специального назначения (рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие, высокопрочные и др.)

3) стали с особыми свойствами (нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные)

б) инструментальные

.по степени раскисления:

а) кипящая (кп)

б) полуспокойная (пс)

в) спокойная (сп)

. по качеству:

1) стали обыкновенного качества (S≤0.05%, P ≤0.05%)

2) качественные сталь (S≤0.035%, P ≤0.035%)

3) высококачественные (S≤0.025%, P ≤0.025%)

4) особовысококачественные (S≤0.015%, P ≤0.025%)

Углеродистая сталь - это сплав железа, содержащий менее 2,14 % углерода, а также постоянные примеси - марганец, кремний, серу, фосфор и растворённые газы ( кислород, азот, водород).

Влияние углерода и примесей на свойства сталей.

Углерод повышает прочность, твёрдость, электросопротивление, магнитные свойства, улучшает литейные свойства (жидкотекучесть) и снижает пластичность, вязкость, свариваемость.

Марганец повышает прочность, практически не снижая пластичности, а также снижает вредное влияние серы.

Кремний повышает твёрдость и хрупкость.

Сера - вредная примесь, вызывающая красноломкость, т.е. разрушение металла при повышенных температурах.

Фосфор - вредная примесь, вызывающая хладноломкость.

Растворенные в стали газы - кислород, азот, водород ухудшают свойства сталей т.к. образуют хрупкие не металлические включения, кроме того водород приводит к образованию тонких внутренних трешин.

Виды углеродистых сталей.. Конструкционные стали.

. Стали обыкновенного качества:

а) стали группы А поставляют с гарантированными механическими свойствами и маркируют СтО,Ст1,Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. Такие стали не подвергают сварке и термической обработке. Их применяют для малонагруженных деталей мукомольной и хлебопекарной промышленности, арматуры и т.д.

б) стали группы Б поставляют с гарантированными химическим составом и маркируют БСтО, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСТ6.

в) Стали группы В маркируют ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5 и поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

Стали групп Б и В можно сваривать и подвергать термообработке. Из них изготавливают судостроительный лист, болты, гайки, детали сельхозмашин.

Цифра в марке стали обыкновенного качества не показывает содержание углерода, но чем она больше, тем больше в стали углерода, а, следовательно, выше её твёрдость и ниже пластичность.

. Качественные стали маркируют цифрами 05, 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 85, которые показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Низкоуглеродистые стали: 05, 08, 10, 15, 15, 20 имеют высокую свариваемость и пластичность, из них изготавливают детали сваркой и холодной штамповкой.

Среднеуглеродистые стали: 30, 35, 40, 45, 50, 55. имеют высокую прочность и вязкость. Их применяют для большинства деталей в машиностроении.

Высокоуглеродистые стали: 60, 65, 70, 75, 85. имеют высокую твёрдость и упругость и применяются для рессор, пружин, инструментов.. Инструментальные стали маркируют У7,У8,У9,У10,У11,У12,У13, где цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Легированные стали.

Легирование - это добавление в сталь легирующих элементов для улучшения её свойств.

Влияние легирующих элементов на свойства сталей:

. Никель и марганец повышают прочность, практически не снижая пластичность.

. Хром, марганец, кремний, молибден, вольфрам повышают твёрдость.

. Ниобий, цирконий, ванадий, титан и азот измельчают зерно стали, повышая вязкость.

. Марганец, хром, никель, молибден, бор повышают прокаливаемость.

. Хром и никель повышают коррзионную стойкость.

. Все легирующие элементы, кроме алюминия и кобальта, уменьшают температуру начала мартенситного превращения.

. Хром, молибден, кремний повышают температуру отпуска.

Маркировка легированных сталей.

Легирующие элементы обозначаются буквами:

А - N (азот)

Б - Nb (ниобий)

В - W (вольфрам)

Г - Mn (марганец)

Д - Cu (медь)

Е - Se (селен)

К - Co (кобальт)

М - Mo (молибден)

Н - Ni (никель)

П - P (фосфор)

Р - B (бор)

С - Si (кремний)

Т - Ti (титан)

Ф - V (ванадий)

Х - Cr (хром)

Ц - Zr (цирконий)

Ч - редкоземельный металл

Ю - Al (алюминий)

В начале марки конструкционной легированной стали находятся две или три цифры, показывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента. Затем следуют буквы, обозначающие легирующие элементы. Цифры после букв показывают содержание данного легирующего элемента в целых процентах. Если цифры после буквы нет, то содержание этого легирующего элемента менее 1,5%.

Например, 12Х18Н10Т - конструкционная легированная сталь, содержащая C-0,12%; Cr-18%; Ni-10%; Ti<1,5%.

В начале марки инструментальной легированной стали находится одна цифра, показывающая среднее содержание углерода в десятых долях процента или цифр нет, что показывает содержание углерода более 1 %. Содержание легирующих элементов определяется так же, как и в легированных сталях.

Например, 9ХС - инструментальная легированная сталь, содержащая С- 0,9%, Cr<1,5%, Si <1,5%.

Буквы в конце марки стали означают: А - сталь высококачественная, Ш - особовысококачественная сталь.

Буквы в начале марки стали означают: А - автоматная сталь, Р - быстрорежущая сталь, Ш - шарикоподшипниковая сталь.

.2 Материалы с особыми технологическими свойствами

Материалы, обладающие высокой пластичностью и свариваемостью, обрабатываемостью резанием.

Стали общего назначения.

.Строительные стали содержат С<0,23 % ,а также могут быть легированы марганцем, кремнием, хромом для повышения прочности, ванадием или титаном, для повышения вязкости.

Марки стали:14ХГС, 17ГС, 09Г2С, 15ХСНД, арматурные стали:10ГТ,18Г2С, 25Г2С,23Х2Г2Т.

Свойства сталей:

. Хорошая свариваемость.

. Высокая пластичность и вязкость.

Виды упрочняющей обработки

. Нормализация

. Закалка и отпуск.

Применение: сварные строительные конструкции, арматура, сварные детали.

.Цементуемые стали содержат 0,1% - 0,25% углерода и легирующие элементы - хром, никель, марганец.

Виды сталей

. хромистые - 15Х, 20Х.

. хромоникелевые - 15ХН, 20ХН, 12ХН3А,20Х2Н4А.

. хромомарганцевые - 18ХГТ, 25ХГТ, 18ХГН, 15ХГНТ.

Свойства сталей

Высокая твёрдость поверхности и вязкость сердцевины после цементации.

Виды упрочняющей обработки

Цементация с последующей закалкой и низким отпуском.

Применение: детали машин, работающие при поверхностном износе и ударных нагрузках.

.Улучшаемые стали содержат 0,3% - 0,5% углерода, а так же легирующие элементы - хром, никель, марганец.

Виды сталей

. хромистые - 30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 50Х.

. хромоникелевые - 30ХН, 35ХН, 40ХН, 45ХН, 50ХН.

. хромомарганцевые - 20ХГСА, 25ХГСА, 30ХГСА.

Свойства сталей

Высокая прочность в сочетании с высокой вязкостью.

Виды упрочняющей обработки

Улучшение - закалка и высокий отпуск.

Применение: большинство деталей машин и механизмов, работающих при высоких нагрузках в сочетании с вибрациями и ударом.

.Автоматные стали применяют для изготовления деталей на станках-автоматах.

Они имеют повышенную обрабатываемость резанием благодаря повышенному содержанию серы (0,08-0,3%), фосфора (0,06%).

Т.к. сера и фосфор ухудшают механические свойства, то в эти стали принято добавлять свинец, кальций, селен, теллур. Их маркируют буквой А, цифра после которой указывает содержание углерода в сотых долях процента.

Виды автоматных сталей

. углеродистые - А11, А12, А20, А30, А40 (автоматная сталь, содержащая 0,4% С).

. легированные - А35Е (автоматная сталь, содержащая 0,35% С, Se<1,5%), АЦ40 (автоматная сталь, содержащая 0,4% С, легированная кальцием).

Материалы, обладающие высокими литейными свойствами.

Чугуны.

Чугуны - это сплавы железа, содержащие более 2,14% углерода, а также постоянные примеси - марганец, кремний, серу, фосфор, кислород, азот, водород.

Классификация чугунов по состоянию углерода:

. Белые чугуны содержат весь углерод в виде цементита.

. Половинчатые чугуны содержат цементит и графит.

. Серые чугуны содержат весь углерод в виде графита.

Диаграмма железо - графит.

Она характеризует процесс кристаллизации и фазовый состав серых чугунов.

Процесс образования графита в чугуне называется графитизацией.

Графит образуется либо в процессе кристаллизации при медленном охлаждении, либо в процессе распада цементита при длительном отжиге.

Чугуны по сравнению со сталями обладают хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью и малой склонностью к усадке.

Влияние примесей на свойства чугунов и графитизацию

. Углерод, кремний повышают твёрдость, хрупкость, увеличивая количество графитных включений, улучшают литейные свойства чугунов.

. Марганец препятствует графитизации, повышая прочность чугуна.

. Сера ухудшает механические и литейные свойства чугунов.

. Фосфор не влияет на графитизацию, повышает хрупкость, улучшает литейные свойства чугунов.

Структура чугунов

. Металлическая основа:

а) Ферритная;

б) Феррито-перлитная;

в) Перлитная.

. Графитные включения:

а) Пластинчатые;

б) Шаровидные;

в) Хлопьевидные.

Виды чугунов по форме графитных включений

. Серые чугуны содержат пластинчатый графит и маркируются СЧ10, СЧ15, СЧ20(серый чугун с пределом прочности σв=20 кгс/мм2). Серые чугуны имеют высокую твёрдость и хрупкость и применяются для деталей, работающих в условиях износа, но не испытывающих ударные нагрузки - зубчатые колёса, детали металлургического оборудования.

. Высокопрочные чугуны содержат шаровидный графит и маркируются ВЧ38-17, ВЧ42-12, ВЧ45-5, ВЧ50-2 (высокопрочный чугун с пределом прочности σв=50 кгс/мм2 и относительным удлинением δ=2%). Высокопрочный чугун получают модифицированием серого чугуна магнием или кальцием. Высокопрочные чугуны имеют повышенную прочность и вязкость и применяются для литых деталей большого сечения, испытывающих вибрационные и ударные нагрузки - станин молотов, прокатных валков, корпус насосов и турбин.

. Ковкие чугуны содержат хлопьевидный графит и маркируются КЧ37-12, КЧ35-10, КЧ45-7, КЧ50-4 (ковкий чугун с пределом прочности σв=50 кгс/мм2 и относительным удлинением δ=4%). Ковкие чугуны получают путём отжига отливок из белого чугуна. Ковкие чугуны имеют повышенную прочность и вязкость и применяются для литых тонкостенных деталей.

Легированные чугуны.

Легированные чугуны кроме обычных компонентов содержат легирующие элементы, придающие чугунам особые свойства.

Влияние легирующих элементов на свойства и структуру чугунов.

. Углерод и кремний - ухудшают механические свойства, т.к. увеличивают количество и размер графитных включений.

. Марганец и никель - повышает прочность металлической основы чугуна.

. Сера и фосфор - ухудшают механические свойства.

. Хром образует карбиды, повышая твёрдость.

. Хром, никель и медь повышают коррозионную стойкость.

. Молибден и ванадий измельчают зерно, повышая прочность.

. Магний способствует получению шаровидного графита.

Виды легированных чугунов.

.Износостойкие чугуны легированы хромом, никелем, марганцем и применяются для изготовления подшипников скольжения, втулок, тормозных барабанов, роликов конвейеров. Марки: ЧХ3Т, ЧХ9Н5, ЧХ16М2 (легированный чугун, содержащий Cr 16%, Mo 2%).

.Жаростойкие чугуны легированы алюминием, хромом, никелем, кремнием. Их применяют для деталей котлов, горелок, двигателей внутреннего сгорания, обжиговых машин. Марки: ЧЮХШ (легированный чугун, содержащий Al<1.5%, Cr <1.5%, шаровидный графит), ЧЮ5С5, ЧЮ7Х2.

.Жаропрочные чугуны содержат никель, хром, алюминий и шаровидный графит. Их применяют для деталей газовых турбин. Марки: ЧН11Г7Ш, ЧН19Х3Ш.

.Коррозионно-стойкие чугуны содержат хром, никель, марганец. Их применяют для деталей насосов турбин, химической аппаратуры. Марки: ЧХ22, ЧХ28, ЧС15, ЧС17.

.Антифрикционные чугуны обладают высокой износостойкостью благодаря низкому коэффициенту трения. Они легированы малым количеством меди, хрома, никеля, титана, свинца.

Их применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок, вкладышей.

Марки: АЧС1, АЧС2, АЧС3,….АЧС6 (антифрикционный серый чугун).

АЧК1, АЧК2 (антифрикционный ковкий чугун).

АЧВ1, АЧВ2 (антифрикционный ковкий чугун).

.Немагнитные чугуны содержат медь, никель, кальций и применяются для немагнитных деталей двигателей, электротехнических машин. Марки: ЧГ8Д3, ЧНМГ7Ш.

Сплавы на основе меди.

Медь - это металл золотисто- красноватого цвета с температурой плавления 1083°С.

Свойства меди

. Высокая тепло и электропроводность.

. Высокая пластичность

. Невысокая прочность

. Достаточно высокая коррозийная стойкость.

Марки технической меди: МОО, МО, М3, М1, М4.

Применение меди:

. Провода, кабели.

. Теплообменники.

. Фурмы металлургических печей

Сплавы меди

Различают простые и сложные.

Обозначение легирующих элементов в сплавах меди.

А-Al (алюминий); Б-Be (бериллий); Ж- Fe (железо);

К- Si (кремний); Мц- Mn (марганец); Н- Ni (никель);

О-Sn (олово); С-Pb (свинец); Ф-P (фосфор);

Х-Cr (хром); Ц-Zn (цинк); Цр-Zr (цирконий).

Простые латуни маркируют буквой Л, за которой следует цифра, показывающая содержание меди. Л90, Л80, Л72 (латунь, содержащая Cu 72%).

Сложные латуни можно разделить на две группы:

а) деформируемые латуни маркируют следующим образом - ЛАН59-3-2,

ЛКС80-3-3 - деформируемая латунь, содержащая Cu 72%, Si 3%, Pb 3%.

б) литейные латуни маркируют ЛЦ16К4- литейная латунь, содержащая Zn 16%, Si 4%, ЛЦ23А6Ж3Мц2.

. Бронзы - это сплавы меди с различными химическими элементами.

Бронзу маркируют БрА10 - бронза, содержащая Al 10%, БрБ2

а)БрОЦ4-3 - деформируемая бронза, содержащая Sn 4%, Zn 3%, БрАЖН10-4-4, БрКМц3-1

б) БрО3Ц12С5 - литейная бронза, содержащая Sn 3%, Zn 12%, Pb 5%.

Применение сплавов меди

. Латуни Л96, Л90, Л80, применяют для изготовления ювелирных и декоративных изделий.

. Свинцовые, кремнистые латуни, оловянные и алюминиевые бронзы, применяют для изготовления подшипников скольжения.

. Оловянные, алюминиевые, бериллиевые бронзы, применяют для пружин и мембран.

2.3 Износостойкие материалы

Стали специального назначения.. Шарикоподшипниковые стали содержат около 1% углерода, а так же легированы хромом. Их применяют для подшипников качения.

Марки сталей: ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ.

Для повышения твёрдости проводят закалку при t=820-840оС и низкий отпуск при t =150-165оС. Износостойкие стали содержат 0,8-1,5% углерода, 8-15% марганца. Они имеют высокую твердость, в результате закалки приобретают аустенитную структуру, которая при последующей эксплуатации упрочняется - происходит наклёп.

Марки сталей: 110Г13Л, 80Г8Л.

Их применяют для изготовления деталей камнедробилок и мельниц, зубьев ковшей экскаваторов, траков гусеничных машин.. Высокопрочные стали - это практически безуглеродистые стали, содержащие меньше 0,3% углерода, а также большое количество Ni, Cr, Mo.

Марки сталей: Н18К9М5Т, Н12К8М3Г2, Н9Х12Д2ТБ, Н10Х11М2Т.

Для повышения прочности их подвергают закалке при t =800-850оС и старению при t =480-520оС. В результате закалки образуется пересыщенный твёрдый раствор легирующих элементов в железе, из которого при старении выделяются мельчайшие частицы интерметаллидов, что приводит к значительному повышению прочности.

Их применяют в космической технике, самолётостроении и судостроении.

Антифрикционные сплавы.

Антифрикционные сплавы - это сплавы на основе олова, свинца, цинка, применяемые для изготовления подшипников скольжения. Эти сплавы обеспечивают малый коэффициент трения. Они имеют мягкую основу, представляющую собой твёрдый раствор элементов, например, в олове, в которой распределены твёрдые включения химических соединений. На мягкой основе при работе подшипника образуются риски, удерживающие смазку на поверхности подшипника, а твёрдые включения служат опорой для вала.

. Баббиты - это сплавы на основе олова или свинца с добавлением сурьмы, меди. Их маркируют БН, Б16, Б83, Б89 - баббит, содержащий Sn 89%.

. Сплавы цинка маркируют - ЦАМ5-10, ЦАМ10-5 - сплав цинка, содержащий Al 10%, Cu 5%.

2.4 Материалы с высокими упругими свойствами

. Рессорно-пружинные стали содержат 0,5-1%углерода. Для повышения твёрдости и упругости их легируют кремнием, хромом или марганцем.

Виды сталей

. Углеродистые - 60,65,70, 75, У8, У9, У10 применяют для пружин небольшого сечения.

. Легированные

а) Кремнистые - 50С2, 55С2, 60С2, 70С3А, 60С2ХФА, 65С2ВА применяют для крупных пружин, работающих при высоких нагрузках.

б) Хромистая сталь 50ХФА применяется для клапанных пружин двигателей внутреннего сгорания.

 Для повышения прочности эти стали подвергают закалке при температуре 830-850оС и среднему отпуску при t =420-520оС.. Пружинные материалы приборостроения.

а) Элинвары - сплавы железа, содержащие около 36% никеля и 8 % хрома - ЭИ25, ЭИ574 имеют практически независимый от температуры модуль упругости, что обеспечивает минимальную погрешность при работе приборов. Их применяют для пружин часов, точных приборов, камертонов.

б) Бронзы БрОФ6,5-0,15; БрОЦ4-3; БрА5; БрКМц3-1; БрБ2; БрБНТ1,7; БрБНТ1,9Мг и др.

2.5 Материалы с малой плотностью

Сплавы алюминия.

Алюминий - это металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 658°С.

Свойства алюминия

. Высокая электро и теплопроводность.

. Высокая пластичность

. Невысокая прочность

. Высокая коррозионная стойкость.

Марки технического алюминия: А999, А99, А95, А85, А8, А7, А5.

Применение технического алюминия

. Провода и кабели.

. Фольга.

. Детали судов и самолётов, не испытывающие нагрузок.

Сплавы алюминия содержат медь, цинк, магний, никель, железо, марганец, которые упрочняют их, образуя с алюминием твёрдые растворы и химические соединения.

Кремний повышает литейные свойства, а никель, титан, хром, повышает жаропрочность.

Структура алюминиевых сплавов состоит из кристаллов твёрдого раствора и достаточно крупных частиц химических соединений.

Для упрочнения алюминиевых сплавов проводят закалку и старение. При нагреве под закалку до температуры 495°С-510°С химические соединения растворяются и при охлаждении в воде образуется пересыщенный твёрдый раствор легирующих элементов в алюминии. Затем проводят старение, т. е. выдерживают сплав несколько суток при комнатной температуре (естественное старение) или несколько часов при температуре 150°С-165°С (искусственное старение). В результате выделяются мельчайшие частицы химического соединения, что приводит к упрочнению.

Виды сплавов алюминия

. Деформируемые

а) дюралюмины - Д1, Д16, Д18

б) высокопрочные - В93, В95, В96

в) ковочные - АК4,АК6, АК8

г) деформируемые, не упрочняемые термической обработкой сплавы алюминия с марганцем и магнием, в которых цифра указывает среднее содержание легирующего элемента - АМг2, АМг6, АМц. Например, АМг2 - деформируемый сплав алюминия, содержащий 2% Mg.

. Литейные - АЛ2, АЛ4, АЛ9.

Цифры в этих марках обозначают номер сплава.

Применение сплавов алюминия:

. Высоконагруженные детали самолётов - воздушные винты, лонжероны, шпангоуты и др.

. Детали двигателей.

. Диски и лопатки турбин.

Сплавы магния.

Магний - это метал светло-серого цвета с температурой плавления 650оС.

Свойства магния

. Высокая химическая активность - порошок магния легко воспламеняется, а при контакте с водой расплавленного магния может произойти взрыв. 2.Низкая коррозионная стойкость. 3.Малая плотность.

Марки технического магния: Мг90, Мг95, Мг96

Его применяют в химической промышленности и пиротехнике.

Сплавы магния содержат алюминий, цинк и марганец. Они обладают высокой удельной прочностью, хорошей свариваемостью, низкой плотностью.

Вид сплавов магния

. Деформируемые - МА1, МА2, МА14;

. Литейные сплавы - МЛ5, МЛ6, МЛ10.

2.6 Материалы с высокой удельной прочностью

Сплавы титана.

Титан - это металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 1672°С.

Свойства титана

. Малая плотность

. Высокая удельная прочность

. Высокая коррозионная стойкость

. Плохая обрабатываемость резанием

. Удовлетворительная пластичность

Марки технического титана: ВТ1, ВТ1-0, ВТ1-00.

Сплавы титана имеют более высокую прочность за счёт содержания алюминия, железа, марганца, хрома, олова, кремния.

Алюминий, цирконий и молибден увеличивают жаропрочность, а ниобий, титан, молибден, цирконий - коррозионную стойкость титановых сплавов.

Титан может существовать в двух полиморфных модификациях: Tiα c гексагональной решёткой и Tiβ c ОЦК решёткой.

Алюминий делает стабильным Tiα и такие сплавы называются α-сплавами, они обладают повышенной пластичностью, не упрочняются термической обработкой. Для снижения твёрдости их подвергают рекристаллизационному отжигу.

Другие компоненты титановых сплавов приводят к образованию также β- твёрдого раствора. Применение находят (α+β)-сплавы, которые могут подвергать упрочняющей обработке - закалке и старению.

Виды сплавов титана

. Деформируемые сплавы - ВТ5, ВТ5-1, ВТ6, ВТ8, ВТ14.

. Литейные сплавы - ВТ5Л.

Применение сплавов титана

. Корпуса самолетов, морских судов, подводных лодок, ракет.

. Диски и лопатки турбин.

. Ёмкости для агрессивных сред, баллоны для сжиженных газов.

2.7 Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды

Жаростойкие, жаропрочные и коррозионно - стойкие материалы.

Коррозионно - стойкие (нержавеющие) стали - это стали, которые противостоят электрохимической коррозии. Они содержат не меньше 13% хрома, а так же могут содержать никель.

Виды сталей

. хромистые стали - 08Х13, 12Х13, 30Х13,12Х17, 15Х25Т, 15Х28.

. хромоникелевые стали - 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 17Х18Н9, 12Х17Г9АН14, 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т.

Применение нержавеющих сталей.

. Хирургические инструменты.

. Оборудование химической, пищевой, лёгкой промышленности.

. Ёмкости для хранения агрессивных сред.

. Детали судов и самолётов.

Жаростойкость - это способность сопротивляться коррозии при высоких температурах.

Жаростойкие стали содержат хром, никель, алюминий, кремний, а так же повышению жаростойкости способствует полировка поверхности.

Марки: 15Х6СЮ, 40Х9С2,30Х13Н7С2.

Применение жаростойких материалов

. Детали двигателей, газовых турбин.

. Теплообменники.

Жаропрочность - это способность материалов сопротивляться разрушению при высоких температурах.

Повышению жаропрочности способствует хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий.

Виды жаропрочных материалов

Стали 15ХМ, 12Х1МФ, 20Х3МВФ, 18Х12ВМБФР, 15Х12ВНМФ, 09Х14Н16Б, 45Х14Н14В2М, 40Х12Н8Г8МФБ, 40Х15Н7Г7В2МС, 10Х11Н23Т3МР.

Сплавы на никелевой основе ХН77ТЮР, ХН70ВМТЮ

Применение жаропрочных материалов

. Оборудование для переработки нефти.

. Детали паровых турбин и турбокомпрессоров.

. Детали реактивных двигателей.

. Детали котлов и топок.

Сплавы никеля.

Никель - это метал серебристого цвета с температурой плавления 1455оС.

Свойства никеля

. Высокая жаропрочность и коррозионная стойкость.

. Высокая пластичность.

Марки технического никеля: Н0, Н1, Н2, Н3, Н4.

Применение никеля

. Оборудования химической и пищевой промышленности.

. Детали газовых турбин.

. Электровакуумная техника.

Сплавы никеля

. Жаростойкие ХН60ВТ, ХН70Ю применяют для деталей турбин.

. Сплавы с высоким омическим сопротивлением Х15Н60, Х20Н80 применяют для электронагревательных элементов.

. Жаропрочные сплавы: ХН70ВМТЮ, ХН77ТЮР применяют для различных деталей турбин.

. Кислотостойкие сплавы Н60М20, Н65М27 обладают коррозионной стойкостью в серной и соляной кислотах и применяются для химической аппаратуры.

2.8 Неметаллические материалы

Виды неметаллических материалов

. Пластмассы.

. Резина.

. Стекло и ситаллы.

. Древесина.

. Лакокрасочные материалы.

. Керамика.

. Жидкие кристаллы.

Основой большинства неметаллических металлов являются полимеры - вещества, состоящие из макромолекул. Полимеры бывают: натуральные и синтетические, органические и неорганические, аморфные и кристаллические, термопластичные и термореактивные. По формуле молекул полимеры бывают линейные, разветвлённые, ленточные, сетчатые.

Пластмассы.

Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связывающих веществ.

Состав пластмасс

. Связующее вещество (синтетические смолы).

. Наполнители.

а) Порошкообразные - древесная мука, графит, тальк.

б) Волокнистые - стекловолокно, асбоволокно.

в) Слоистые - ткани, бумага.

г) Газы - воздух или азот.

Виды пластмасс. По составу:

. Простые (состоят только из связующего вещества)- полиэтилен, полипропилен.

.Сложные - пенопласты, текстолиты, волокнисты, карболиты.. По характеру связывающего вещества:

. Термопластичные - полиэтилен, полипропилен, органическое стекло, пенопласт.

. Термореактивные - гетинакс, стеклотекстолит, асбоволокнит и др.. По назначению:

. Силовые - конструкционные, антифрикционные, электроизоляционные.

. Несиловые - прозрачные, декоративные, химически стойкие.

Свойства пластмассы

. Низкая электропроводность.

. Достаточно высокая механическая прочность.

. Гибкость.

. Химическая стойкость.

. Газо и водонепроницаемость.

Применение пластмасс

. Детали и корпуса механизмов.

. Ёмкости и посуда.

. Элекроизоляция проводов.

. Отделочные материалы.

. Прокладки.

. Трубы и шланги.

. Плёнки.

Резина.

Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками.

Состав резин

Каучук - полимер, имеющий линейное или слаборазветвлённое строение. Молекулы каучука имеют зигзагообразную форму, благодаря чему обладают высокой эластичностью.

Вулканизирующие вещества - сера, селен, перекиси, которые упрочняют резину, связывая между собой молекулы каучука и образуя с ними пространственную сетку. При содержании серы более 30% образуется твёрдое вещество - эбонит.

Противостарители (антиоксиданты) - парафин, воск, альдоль - препятствуют окислению.

Пластификаторы - парафин, вазелин, стеариновая кислота, растительные масла- для повышения эластичности.

Наполнители - мел, тальк, барит, сажа - для повышения износостойкости и удешевления.

Красители.

Свойства резин

Высокая эластичность.

Водо и газонепроницаемость

Невысокая плотность

Низкая электропроводность

Химическая стойкость

Высокая износостойкость

Виды резин

Резины общего назначения используют для изготовления шин, ремней, рукавов, транспортёрных лент, изоляции кабелей, бытовых и медицинских изделий.

Резины специального назначения.

а) Маслобензостойкие резины используют для производства шлангов, прокладок, манжет и др.

б) Теплостойкие резины используют для изделий, работающих при повышенных или пониженных температурах.

в) Износостойкие резины применяют для шин, обуви, транспортёрных лент.

г) Электротехнические резины применяют для электроизоляции и экранирования кабелей.

Лакокрасочные материалы.

Лакокрасочные материалы после высыхания образуют плёнку, называемую покрытием. Они предназначены для защиты металлов от коррозии, древесины от гниения, для придания декоративного вида и электроизоляции.

Состав лакокрасочных материалов

. Плёнкообразующие вещества - смолы, растительные масла.

. Растворители - скипидар, спирты, ацетон и др.

. Пластификаторы.

. Отвердители.

. Красители.

. Наполнители.

Виды лакокрасочных материалов

.Лаки.

. Эмали.

. Краски.

. Грунты.

. Шпатлёвки.

Неорганическое стекло.

Неорганическое стекло - это затвердевший расплав оксидов кремния, фосфора, бора, германия. Эти оксиды образуют неправильную пространственную сетку, т.е. стекло имеет аморфное строение. Для придания стеклу определённых свойств в него добавляют оксиды алюминия, железа, натрия, калия, лития, бериллия и другие. Стекло имеет аморфное строение, которое представляет собой неправильную пространственную сетку из стеклообразующих молекул SiO2, P2O5 и др. Основой для производства неорганического стекла является кварцевый песок, в который могут добавляться другие минералы (магнезит, известь, железняки, хромиты и др.). Подготовленные материалы расплавляют, формуют изделия из пластичной массы и охлаждают. Для повышения твёрдости стекло могут подвергать закалке.

Свойства стекла.

. Светопрозрачность.

. Высокая хрупкость.

. Высокая твёрдость.

. Высокая химическая стойкость.

Виды стекла по назначению

. Технические - оптические, светотехнические, химико-лабораторные, приборные, транспортные.

. Строительные - оконные, витринные, стеклоблоки.

. Бытовые - посуда, зеркала.

Керамика.

Керамика -это неорганический материал, полученный из отформованных минеральных масс в процессе высокотемпературного обжига. Керамику изготавливают из различных сортов глины, корунда, магнезита, извести и других минералов.

Свойства керамики

. Высокая твёрдость

. Высокая химическая стойкость

. Высокая жаропрочность.

Виды керамических изделий

. Посуда и санитарно-технические изделия из форфора или фаянса.

. Кирпич для строительства и огнеупорной футеровки печей.

. Химическая посуда и оборудование химической промышленности

. Режущий и абразивный инструмент.

. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ.

.1 Материалы с особыми магнитными свойствами.

.2 Материалы с особыми тепловыми свойствами.

.3 Материалы с особыми электрическими свойствами.

.Инструментальные материалы.

.1 Материалы для режущих и измерительных инструментов

Классификация инструментальных материалов

. Материалы для режущих инструментов

а)Стали пониженной прокаливаемости;

б) Стали повышенной прокаливаемости;

в) Быстрорежущие стали;

г) Твёрдые металлокерамические сплавы;

д) Минералокерамические материалы;

е) Сверхтвёрдые материалы.

. Материалы для измерительного инструмента

. Материалы для инструментов ОМД.

Требования к материалам для режущих инструментов

. Высокая твёрдость и износостойкость;

. Высокая красностойкость, т.е. способность длительно сохранять твёрдость при нагреве.

Виды материалов для изготовления режущих инструментов

. Стали пониженной прокаливаемости сохраняют красностойкость до 200оС. Их применяют для режущего инструмента небольшого размера и несложной формы, работающего при малых скоростях резания. Для повышения твёрдости их подвергают закалке в воде и низкому отпуску:

а) Углеродистые стали У7, У8, У9,У10, У11, У12, У13.

б) Низколегированные стали Х05, Х06.

. Стали повышенной прокаливаемости сохраняют красностойкость до 250оС. Их применяют для изготовления режущего инструмента крупных размеров и сложной формы, работающего при невысоких скоростях резания. Для повышения твёрдости их подвергают закалке в масле или соли и низкому отпуску при t= 100-200оС

а) Хромистые стали Х, 9ХС, ХГСВФ.

б) Хромомарганцевые стали ХГ,ХВГ.

в) Вольфрамовые стали В1,ХВ5.

. Быстрорежущие стали содержат около 1% углерода, 4% хрома, а так же вольфрам, ванадий, молибден, которые образуют тугоплавкие карбиды, повышающие красностойкость до 600оС. Эти стали применяются для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Для повышения твёрдости их подвергают закалки при t =1200-1280оС и отпуску при t =560оС. Быстрорежущие стали маркируют буквой Р, цифра после которой указывает содержание вольфрама. Р18, Р12, Р6М5 (быстрорежущая сталь W 6%, Mo 5%), РОМ3Ф2.

4. Твёрдые металлокерамические сплавы изготавливают методами порошковой металлургии из карбидов титана, вольфрама, тантала с добавлением кобальта. Они имеют высокую твёрдость и хрупкость, сохраняют красностойкость до 800-1000оС. Их применяют при высоких скоростях резания для обработки закаленных сталей, чугунов, стекла, твёрдых полимеров.

а) Сплавы на основе карбида вольфрама WС маркируют ВК3, ВК5, ВК6 (твёрдый металлокерамический сплав, содержащий Со 6%, WС 94%).

б) Сплавы на основе карбидов вольфрама и титана Т30К4, Т15, К6, Т14К8 (твёрдый металлокерамический сплав, содержащий TiC 14%, Со 8%, WС 78%).

в) Сплавы на основе карбидов вольфрама, титана и тантала ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 (твёрдый металлокерамический сплав, содержащий TiC+TаC 20%, Со 9%, WС 71%).

.Минералокерамический материал микролит корундовый ЦМ332 изготавливается на основе глинозема Al2O3 с добавлением MgO. Из него изготавливают режущий инструмент для обработки закаленных сталей, чугунов, при высоких скоростях резания, т.к. он обладает высокой твёрдостью и красностойкости до 1200jC, так же из него изготавливают абразивный инструмент - шлифовальные круги, бруски, шлифовальную бумагу.

. Сверхтвердые материалы.

а) алмаз - самый твёрдый природный минерал, обладающий красностойкостью до 600оС. Его применяют для изготовления режущего инструмента, обрабатывающего закалённые стали, чугуны, стекло, твёрдые полимеры, также его используют для изготовления абразивных инструментов.

б) эльбор (BN) обладает твёрдостью близкой к алмазу и красностойкостью до 1400оС. Назначение такое же, как у алмаза.

Материалы для измерительных инструментов.

Измерительный инструмент должен обладать высокой твёрдостью, износостойкостью и низким температурным коэффициентом линейного расширения. Эта стали Х, 9Х1. Их применяют для изготовления штангенциркулей, микрометров, угломеров, измерительных плашек.

Стали для инструментов обработки металлов давлением.

Материалы для инструментов ОМД.

Стали для инструментов ОМД принято называть штамповыми. Их применяют для изготовления прокатных волков, бойков молота, прессов, штампов. Принято различать стали для холодных и горячих штампов.

Требования к сталям для холодных штампов

. Высокая твёрдость и износостойкость.

. Высокая прочность

. Достаточная вязкость.

Виды сталей для холодных штампов

. Углеродистые стали У7, У8, У9 для ручных инструментов ударного деформирования.

. Легированные стали 4ХС, 4ХВ2С для крупных инструментов ударного деформирования.

. Углеродистые стали У10, У11, У12 для штампов небольших размеров и несложной формы.

. Легированные стали: Х, Х12МФ, Х6ВФ для крупных нагруженных штампов, роликов.

. 9Х, 9Х2 для валков холодной прокатки.

Требования к материалам для горячих штампов

. Высокая твёрдость и износостойкость.

. Достаточная вязкость.

. Высокая красностойкость.

. Термостойкость - способность сопротивляться разрушению при резких изменениях температуры.

Виды материалов для горячих штампов

. Углеродистые стали У7, У8 ,У9 для штампов, работающих в лёгких условиях.

. Легированные стали 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНСВ для крупных молотов, прессов, работающих при ударных нагрузках и умеренной температуре.

. Легированные стали: 4Х3ВМФ, 4Х5В2ФС, 4Х3В2М2Ф2 для мелких молотовых штампов, горизонтально-ковочных машин, пресс-форм.

. Серый или высокопрочный чугун, а также легированный чугун, содержащий хром, никель, и стали 50, 55, 50ХН, 60ХН, 60ХГ для валков горячей прокатки.

ПОРОШКОВЫЕ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

Порошковые материалы.

Порошковая металлургия - это получения полуфабрикатов или готовых изделий из смеси порошков путём их прессования и последующего спекания.

Методы получение металлических порошков

. Химико-металлургические.

а) Восстановления металлов из оксидов.

б) Электролитическое осаждение из растворов солей.

. Физико-механические.

а) Распыление жидких расплавов в потоке инертных газов.

б) Размол с помощью мельниц.

Технология порошковой металлургии

. Получение порошков.

. Сортировка порошков.

. Очистка порошков от примесей.

. Приготовление смеси порошков.

. Спекание с прессованных изделий при температуре плавления самого легкоплавкого компонента.

Виды изделий из порошковых материалов

. Детали машин и механизмов из порошков сталей или железа с добавлением различных компонентов.

. Инструменты из быстрорежущих сталей, твёрдых металлокерамических сплавов, карбидосталей.

. Детали реактивных двигателей из никелевых сплавов с добавлением алюминия, титана, молибдена, вольфрама.

. Сердечники электромагнитов из порошков железа с добавлением фосфора или кремния.

. Полупроводниковые приборы из оксидов железа, цинка.

. Вкладыши подшипников скольжения из порошков бронзы с добавлением графита.

. Фильтры из порошков титана, сталей, бронзы.

Порошковые материалы по сравнению с полученными обычными способами обладают более высокой прочностью, износостойкостью, твёрдостью, жаропрочностью.

Композиционные материалы.

Маркировка сплавов цветных металлов.

Сплавы меди:

Техническая медь: М00, М0, М1, М2, М3, М4.

Латуни: Л90, Л72, ЛАН59-3-2

Бронзы: БрА10; БрБ2; БрОФ6,5-0,4; Бр05Ц5С5.

Сплавы алюминия:

Дуралюмины: Д1, Д16, Д18.

Высокопрочные: В93, В95, В96.

Ковочные: АК4, АК6, АК8.

Литейные: АЛ2, АЛ3, АЛ9.

Технический алюминий: А999, А99, А95, А85.

Сплавы магния:

Технический магний: Мг90, Мг95, Мг96.

Деформируемый: МА1, МА2, МА14.

Литейные: МЛ5, МЛ6, МЛ10.

Сплавы титана:

Технический титан: ВТ1, ВТ1-0, ВТ1-00.

Деформируемые: ВТ5,ВТ6,ВТ8.

Антифрикционные сплавы:

Баббиты: Б16, Б83, Б89.

Сплавы цинка: ЦАМ10-5, ЦАМ5-10.