Технология конструкционных материалов

gn="justify">      Металлы и сплавы, стойкие против окисления  при высокой температуре нагрева, называются жаростойкими или окалиностойкими. Из них изготовляют такие детали, как клапаны и коллекторы двигателей внутреннего сгорания. Золото, серебро и нержавеющие стали слабо поддаются коррозии.

Общие сведения о строении сплавов

      Металлическими  сплавами называют сложные вещества на основе металлов, сохраняющие высокую электро- и теплопроводность, ковкость и другие свойства. Сплавы могут состоять из нескольких металлов или металлов и неметаллов.

      В жидком состоянии большинство сплавов  однородны и представляют одну фазу. После затвердевания в сплаве может образоваться несколько фаз. Количество фаз и их природа определяются характером взаимодействия компонентов сплава при затвердевании.

      Если  компоненты сплава растворяются друг в друге, то образуются твердые растворы. При этом атомы растворимого компонента либо замещают атомы растворителя в его кристаллической решетке, либо внедряются в нее. Такие сплавы являются однофазными и состоят из зерен твердого раствора с кристаллической решеткой компонента-растворителя. В случае ограниченной растворимости компонентов образуется двухфазный сплав, в котором второй фазой может быть чистый компонент или его химическое (металлическое) соединение с другим компонентом.

      Если  при затвердевании компоненты сплава не взаимодействуют друг с другом, то образуется механическая смесь зерен каждого из компонентов. Механическая смесь сплава может состоять из двух и большего числа фаз. При этом каждая из фаз сохраняет свой тип кристаллической решетки.

      Ряд компонентов при затвердевании  может вступать в химическое взаимодействие и образовывать химические соединения как металлов с неметаллами (например, карбид железа Fe₃C), так и металлов с металлами (например, СuАl₂); последние обычно называют металлическими соединениями.

Диаграммы состояния сплавов

      Зависимость агрегатного или фазового состояния сплавов от их состава и температуры определяют экспериментально путем определения критических точек превращений в сплавах по кривым нагрева (охлаждения). По полученным данным строят диаграммы состояния, отражающие связь между состоянием сплавов, их составом и температурой, а также фазовые превращения, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении.

      1. Диаграмма состояния сплавов — твердых растворов. На рис. 1.5 приведена диаграмма состояния сплавов, компоненты которых А и В обладают неограниченной растворимостью друг в друге. По вертикали располагают шкалу температур, по горизонтали — ось концентраций компонентов.

      При таком построении диаграмма отражает состояние сплава любой концентрации при любой температуре.

      Диаграмма состояния сплавов — твердых растворов состоит из двух линий: верхней — ликвидус (жидкий) и нижней — солидус (твердый). Выше линии ликвидус сплавы находятся в однофазном жидком состоянии между линиями ликвидус и солидус — двухфазном состоянии (кристаллы твердого раствора и жидкость) и ниже линии солидус — в однофазном твердом состоянии — состоят из зерен твердого раствора компонентов А и В.

      Рис. 5 Диаграмма состояния сплавов – твердых растворов.

      Как видно из диаграммы, сплавы-твердые  растворы в отличие от чистых компонентов затвердевают и плавятся в интервале температур между линиями ликвидус и солидус. В случае ограниченной растворимости компонентов на диаграмме состояния ниже линии солидус будет еще одна линия, отражающая эту растворимость.

      2. Диаграмма состояния  сплавов-смесей. Сплавы-смеси также затвердевают и плавятся в интервале температур между линиями ликвидус АСВ (рис. 6) и солидус DCF. И только сплав, соответствующий концентрации точки С, плавится, как и чистые компоненты, при постоянной температуре. После затвердения этот сплав состоит из смеси (рис. 6) мелких зерен обоих компонентов А и В. Такая смесь называется эвтектикой (Э), сплав с такой структурой —• эвтектическим, а точка С — эвтектической точкой. Соответственно сплавы, расположенные левее точки С, называются доэвтектическими, правее — заэвтектическими.

Рис.6. Диаграмма состояния сплавов-смесей.

      Затвердевание доэвтектического сплава I начинается в точке 1 на линии ликвидус АС выпадением кристаллов избыточного компонента А. Поэтому в интервале между точками 1 и 2 жидкая фаза сплава обедняется компонентом А и соответственно обогащается компонентом В. При температуре точки 2 сплав состоит из кристаллов компонента А и жидкой фазы, концентрация которой достигла эвтектического состава и поэтому затвердевает с образованием эвтектики (рис. 6).

Процесс затвердевания заэвтектического сплава IIIотличается от рассмотренного тем, что в нем на линии ликвидус СВ в точке 3 начинают выделяться кристаллы компонента В. Поэтому после затвердевания (точка 4) структура этого сплава состоит из кристаллов В и эвтектики (рис. 6).

3. Связь  диаграмм состояния сплавов с  их свойствами.

Рис.7. Связь диаграмм состояния сплавов с их свойствами

      Например, если компоненты сплава образуют механические смеси, то свойства этих сплавов (твердость, электропроводность и др.) изменяются по закону прямой линии (рис. 7, а). В сплавах-твердых растворах эти свойства изменяются по кривой с максимумом или минимумом (рис. 7, б).

      Установлено также, что твердые растворы обладают повышенной пластичностью, поэтому сплавы с такой структурой хорошо обрабатываются давлением. Наличие эвтектики в сплавах, наоборот, делает их более хрупкими, но улучшает литейные свойства.

5. Диаграмма состояния  железоуглеродистых  сплавов

      1. Общая характеристика железоуглеродистых сплавов. Упрощенная диаграмма состояния сплавов железа с углеродом приведена на рис. 8. Она построена в интервале концентраций углерода от 0 до 6,67 %, т. е., до образования химического соединения карбида железа Fe₃C, который ведет себя как самостоятельный компонент. Поэтому компонентами железоуглеродистых сплавов можно считать железо и карбид железа.

      Твердый раствор углерода в α-железе называют ферритом. (Ф). По своим свойствам феррит практически не отличается от технически чистого железа.

      Карбид  железа Fe₃C, наo6opот, очень тверд, но хрупок, Его называют цементитом (Ц). С увеличением содержания углерода образуется больше цементита, поэтому сплав становится тверже и хрупче.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ  МЕТАЛЛЫ

Углеродистые  стали

      Применяемые в практике стали содержат кроме  углерода до 0,4 % Si, 0,5—0,8 % Mn и по 0,02—0,05 % S и Р. Кремний и марганец являются полезными примесями; растворяясь в феррите, они упрочняют сталь. Сера образует соединение FeS и вызывает красноломкость, а фосфор, наоборот, растворяясь в феррите, вызывает хладноломкость стали.

      Основным  компонентом стали, оказывающим  решающее влияние на ее структуру  и свойства, остается углерод. С увеличением содержания углерода твердость и прочность стали повышаются, а пластичность и ударная вязкость значительно снижаются.

      По  назначению углеродистые стали подразделяют на конструкционные (С ≤0,8 %) и инструментальные (С ≥ 0,7 %).

      1. Конструкционные стали бывают обыкновенного качества и качественные.

      Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380—71) подразделяют на группы А, Б и В. Стали группы А характеризуются механическими свойствами; группы Б— химическим составом и группы В — механическими свойствами и химическим составом.

      По  степени раскисления эти стали  бывают кипящими (кп), полуспокойными (пс) или спокойными (сп).

      В зависимости от нормируемых показателей механических свойств эти стали подразделяют также на ряд категорий.

      Конструкционные стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрой — номером стали, например Ст3, Ст5 и т. д. Группа стали указывается соответствующей буквой в начале марки — БСт1, ВСт6 (в марке стали группы А такая буква не ставится — Ст4). В марке указывается также степень раскисления стали (Ст1кп; БСт2пс) и в конце — категория — Ст2кп3; ВСт4кп4 (первая категория не указывается — Ст1сп).

      Качественные  конструкционные стали (ГОСТ 1050—88) отличаются меньшим содержанием серы и фосфора (≤0,04 %), в них строже регламентируется содержание других элементов, неметаллических примесей.

      Эти стали маркируют числами 08, 10, 15, 20...85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. По степени раскисления они могут быть также кипящими, полуспокойными или спокойными.

      Из  конструкционных сталей выделяются так называемые автоматные стали  с повышенной обрабатываемостью резанием, применяемые в основном для изготовления из них деталей на станках-автоматах. Эти стали характеризуются повышенным содержанием серы (0,08—0,30 %) и фосфора (до 0,15 %). Сера образует в стали сульфид MnS, оказывающий смазывающее действие на инструмент, а фосфор способствует образованию ломкой стружки и получению чистой блестящей поверхности при резании.

      Автоматные  стали маркируют буквой А и  числом, указывающим содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, А30.

      2. Инструментальные стали подразделяют на качественные: У7, У8...У12, У13 и высококачественные: У7А, У8А... У12А, У13А. Числа в марке указывают содержание углерода в десятых долях процента, буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь,

Легированные  стали

      Легированными называют стали, в которых содержатся специально введенные (легирующие) элементы, изменяющие их свойства. К таким элементам относятся: Cr, Ni, Mo, V, Ti и др. Марганец в количестве свыше 1 % и кремний свыше 0,5 % также являются легирующими.

      Легирующие  элементы в марках стали обозначают буквами: В — вольфрам, Г — марганец, К — кобальт, М — молибден, Н — никель, С — кремний, Т — титан, Ф —- ванадий, X — хром, Ю — алюминий.

      Число в начале марки конструкционной  стали указывает на содержание углерода в сотых долях процента, цифры  после букв — среднее содержание обозначенного этими буквами элемента в процентах. Например, марка 18Х2Н4В обозначает сталь со средним содержанием 0,18 % С, 2 % Cr, 4 % Ni и около 1 % W.

      При маркировке инструментальных и некоторых  специальных сталей иногда отходят от этого правила. Например, марка Х12М обозначает сталь с содержанием около 1,5 % С, 12 % Cr и 0,5 % Мо.

      Некоторые легированные стали выделены в отдельные  группы: Ш — шарикоподшипниковые; Р — быстрорежущие; Е — магнитные и др.

      Стали, находящиеся в стадии исследования, обозначают буквами ЭИ и условным номером (ЭИ943) и пробные — буквами ЭП и условным номером (ЭП54).

      Легированные  стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и со специальными физическими свойствами.

      К конструкционным легированным сталям относятся стали, применяемые для изготовления цементуемых и улучшаемых термообработкой деталей машин, рессор и пружин, шарико- и роликоподшипников, жаропрочные, износо- и коррозионно-стойкие стали. Эти стали легируют разнообразными элементами — Mn, Ni, Si, Cr, Mo, Ti, Al и др.

      К инструментальным относятся стали для режущего, штампового, измерительного инструмента. Эти стали должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, поэтому их легируют в основном карбидообразующими элементами — Cr, W, V, Мо и др.

      К сталям и сплавам со специальными физическими свойствами относятся магнитные материалы, с высоким электросопротивлением, с заданным коэффициентом линейного расширения, с особыми упругими свойствами. Большинство из них отличаются высоким содержанием никеля, хрома, кобальта и других элементов.

Серые чугуны