ответы на материаловедение 2 семестр. матвед экзамен. 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
32. Классификация и маркировка сталей Стали принято классифицировать по структуре в равновесном состоянии, по назначению и по качеству. Классификация по структуре. По структуре в равновесном состоянии можно выделить три группы сталей: доэвтектоидные стали, содержащие до 0,8% углерода и имеющие, согласно диаграмме "Железо–цементит", структуру феррита и перлита (Ф+П) (рис.7.2). В структуре низкоуглеродистых сталей (до 0,20,3% углерода) превалирует феррит, имеющий высокую пластичность, но невысокие прочностные свойства. Поэтому эти стали хорошо воспринимают не только горячую (при нагреве в аустенитную область), но и холодную пластическую деформацию. С повышением в стали концентрации углерода увеличивается в структуре количество перлита; в результате возрастают предел прочности (), предел текучести (  ), но понижаются пластичность (,) и ударная вязкость (КСU).эвтектоидная сталь, содержащая около 0,8% углерода, структура которой состоит только из перлита (рис.7.2), имеющего по сравнению с ферритом повышенные твердость и предел прочности. Это обеспечивает стали более высокие прочностные характеристики; заэвтектоидные стали, содержащие более 0,8% углерода. Их структура представляет собой смесь перлита и цементита вторичного (П+ЦII) (рис.7.2). С повышением концентрации углерода в стали возрастает количество цементита вторичного, что приводит к изменению механических свойств, рассмотренных ранее. Особенно сильно снижается пластичность и ударная вязкость, если цементит вторичный выделяется в виде цементитной сетки по границам зерен перлита. Это происходит при нарушении режимов отжига или горячей пластической деформации. Классификация по назначению. В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы: Строительные стали. Являются конструкционными сталями, которые предназначены для изготовления деталей металлоконструкций и других изделий, используемых в строительстве. Содержат до 0,35% углерода и по своей структуре являются доэвтектоидными. Поскольку в этих сталях мало углерода, то в их структуре, состоящей из феррита и перлита, феррита больше. Поэтому они имеют невысокие твердость и предел прочности; обладают хорошей свариваемостью (всеми известными способами). В основном они применяются без упрочняющей термической обработки. Конструкционные стали, применяющиеся для изготовления деталей машин. Содержат от 0,080,10% до 0,70% углерода. По своей структуре в равновесном состоянии также являются доэвтектоидными. Для обеспечения требуемых свойств в основном подвергаются упрочняющей термической или химико–термической обработке. Инструментальные стали, идущие на изготовление режущего, штампового, измерительного и другого инструмента. Содержат более () 0,7% углерода. Подвергаются термической обработке для получения высокой твердости. Приведенное распределение сталей по группам учитывает их основное назначение. На практике диапазон применения этих сталей шире. Так, для изготовления деталей машин нередко используются как инструментальные стали, так и стали строительного назначения. Классификация по качеству. Качество стали определяется количеством присутствующих в ней вредных примесей и в первую очередь серы и фосфора. Чем меньше в стали серы и фосфора, тем выше ее качество. В свою очередь количество примесей, сохраняющееся в стали при выплавке металла, зависит от способа ее производства. Удаление из сталей серы, фосфора и кислорода в наибольшей степени происходит при выплавке их в электропечах (дуговых или индукционных). По качеству можно выделить три основные группы сталей: стали обыкновенного качества, содержащие до 0,050,06% серы и 0,050,07% фосфора; качественные стали, содержащие до 0,04% серы и 0,035% фосфора; высококачественные стали, содержащие до 0,025% серы и 0,025% фосфора и выплавляемые в электропечах. Поскольку сера в таких количествах растворяется в феррите и в металле не образуется сульфидная эвтектика, то высококачественные стали не подвержены красноломкости. Для еще большей очистки от примесей используют различные методы переплава этих сталей: электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно–дуговой (ВДП) переплав (вместо него часто используют вакуумирование жидкой стали в ковше) и др. Так, ЭШП (переплав электростали под слоем специального шлака) позволяет снизить содержание серы до 0,0020,008%; различные методы переплава в вакууме почти полностью выводят из металла газы. Очищенный такими способами металл образует новую группу– особовысококачественные стали. Маркировка углеродистых сталей. В нашей стране принята маркировка сталей в соответствии с их классификацией по качеству. Стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрой, указывающей порядковый номер стали: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. Чем больше номер, тем выше содержание углерода, концентрация которого увеличивается от 0,06 до 0,43%, возрастают предел прочности () и предел текучести ( ), а пластичность (относительное удлинение ) снижается. В обозначениях марок часто дополнительно специальными буквами указываются группа поставки в зависимости от их назначения (А, Б и В)5 и степень раскисления: (сп, кп, пс)6. Например, АСт3сп, АСт3кп, БСт3пс, ВСт3сп и т.п. Стали поставляются главным образом с гарантированными механическими свойствами и применяются в основном в состоянии поставки без упрочняющей термической обработки. По этой причине обозначение марок сталей не отражает содержания в них углерода, так как последнее необходимо знать для выбора температур нагрева стальных изделий при их термической обработке. Стали обыкновенного качества обычно используются для изготовления деталей и сварных, клепаных, и болтовых конструкций строительного назначения (балок, ферм и т.п.), аналогичных иных конструкций и изделий (строительных и портальных кранов, корпусов, сосудов и др.); при изготовлении малонагруженных и сварных деталей в машиностроении (осей, валов, шестерен, нормалей, заклепок, сварных корпусов и станин технологических машин и др.). Вследствие многоцелевого применения сталей обыкновенного качества их называют сталями общего назначения.Качественные стали являются машиностроительными сталями и применяются для изготовления деталей машин (конструкционные стали) или инструментов (инструментальные стали). Для обеспечения требуемых свойств они подвергаются термической обработке и поэтому поставляются с гарантированным химическим составом, который указывается в обозначении марки. Конструкционные углеродистые стали обозначаются цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. В машиностроении используются следующие марки сталей: 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70. ГОСТом для каждой марки стали установлены пределы содержания углерода; например, сталь 20 (0,180,22% С), сталь 25 (0,230,27% С), сталь 40 (0,370,42% С) и т.п. Цифры, обозначающие марку стали, получаются округлением концентрации углерода до ближайшего числа, кратного пяти. Инструментальные углеродистые стали обозначаются буквой У и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. Для режущих инструментов применяются следующие стали: У7 (0,7% С), У8 (0,8% С), У9 (0,9% С), У10 (1,0% С), У11 (1,1% С), У12 (1,2% С). Некоторые марки этих сталей применяются также для изготовления вырубных и других штампов холодного деформирования и измерительных инструментов. Высококачественные стали, также являющиеся машиностроительными, обозначают буквой А, которая ставится в конце обозначения марки сталей. Например, У8А, У10А, У12А. Особовысококачественные стали, получаемые электрошлаковым переплавом, часто индексируют буквой Ш в конце обозначения марки. 33. Критические точки сталей. Критические точки стали (температуры, при которых происходят фазовые превращения) обозначаются буквой А, аналогично обозначению критических точек железа. Рядом с буквой ставится цифра, отражающая последовательность равновесных превращений. Поскольку температуры фазового равновесия определены на диаграмме состояния «Железо–цементит», то обозначения критических точек связаны с линиями этой диаграммы; они являются геометрическим местом точек (температур) соответствующих превращений, протекающих в сталях при нагреве или охлаждении. Так, эвтектоидную температуру (у всех сталей она лежит на линии PSK), обозначают А1, температуру магнитного превращения в доэвтектоидных сталях (линия MO) – А2, температуру окончания превращения феррита в аустенит в доэвтектоидных сталях (линия GS) – А3, температуру окончания растворения цементита вторичного в аустените в заэвтектоидных сталях (линия SE) – Аm. На практике вследствие гистерезиса температуры превращений при нагреве всегда выше соответствующих температур при охлаждении. Критические точки при нагреве обозначаются дополнительно индексом «с» (Аc), а при охлаждении – «r» (Аr). Знание критических точек сталей необходимо для обоснованного выбора температурных режимов термической обработки. Так как термическая обработка основывается на превращениях, протекающих в твердом состоянии, то мы рассматриваем только критические точки (температуры) отражающие эти превращения (табл).
34. Чугуны. Влияние химического состава чугуна на его структуру и свойства. Чугуны, как указывалось выше, являются литейными железоуглеродистыми сплавами, содержащими более 2,14% углерода. Литейные свойства любых сплавов определяются их жидкотекучестью, величиной усадки, склонностью к ликвации, к образованию пористости и трещин. Механические и литейные свойства чугунов зависят от их химического состава и состояния, в котором в чугунах присутствует углерод. Влияние углерода. С увеличением в чугунах концентрации углерода в их структуре возрастает количество цементита, который присутствует в виде самостоятельной фазы (вторичного цементита в доэвтектических и первичного цементита в заэвтектических сплавах) и в составе ледебурита и перлита. В результате заметно возрастают твердость и прочность чугуна при сжатии (сж), но снижаются прочность при растяжении (в) и, особенно сильно, пластичность (). При относительно невысоком содержании углерода (2,142,3%) прочность при растяжении и пластичность еще сохраняются на достаточном уровне. При эвтектической концентрации углерода, равной 4,3%, чугун имеет низкие прочность (в) и пластичность (), но лучшие литейные свойства. Это связано с тем, что у такого чугуна самая низкая температура плавления и наименьший температурный интервал кристаллизации (равен нулю). Следствием этого является возможность получения хорошей жидкотекучести расплавленного металла и наименьшая ликвация. С повышением концентрации углерода более 4,3% ухудшаются литейные свойства, и металл становится очень хрупким. Для обеспечения хорошего сочетания литейных и механических свойств в чугунах устанавливается содержание углерода в пределах 2,53,5%. Но и в этом случае чугуны являются хрупким материалом. Чугунные отливки плохо работают при растяжении. Поэтому чугуны рекомендуется использовать преимущественно для изделий, работающих на сжатие или изгиб. Влияние примесей. В чугунах содержатся те же постоянные примеси, что и в стали. Сера и фосфор понижают вязкость и пластичность чугунов, также как и в сталях. Однако подобное влияние этих вредных примесей на свойства не так ощутимо, поскольку чугуны сами по себе являются хрупким материалом. В то же время, красноломкость, которую сера вызывает в стали, для чугунов не опасна. Чугуны являются литейным материалом и не подвергаются пластической деформации, в процессе которой и проявляется красноломкость. Поэтому в чугунах допускается более высокое содержание серы, чем в сталях. Фосфор в чугунах в целом является полезной примесью. Он улучшает их жидкотекучесть благодаря образованию легкоплавкой фосфидной эвтектики (температура плавления 950°С). Чугуны с увеличенным содержанием фосфора лучше заполняют форму. В связи с этим в чугунах устанавливается следующее содержание фосфора: 0,10,2% – для чугунов, применяемых в машиностроении; до 0,40,5% – для изготовления литых изделий сложной формы (художественное литье). Полезные примеси марганец и кремний являются, как и в сталях, технологическими добавками, необходимыми для раскисления чугунов при их выплавке. Кроме того, они оказывают большое воздействие на изменение состояния присутствующего в чугунах углерода, противоположным образом влияя на процесс графитизации. Содержание этих примесей в разных чугунах колеблется в пределах: 1,03,5% кремния и 0,21,1% марганца. 35. Графитизация. Чугуны с цементитом и графитом. Маркировка чугунов. Выделение (образование) в чугунах углерода в свободном состоянии в виде графита называется графитизацией. Графитизация в чугунах может происходить в результате выделения графита непосредственно из жидкости при первичной кристаллизации (обычно рассматривается по диаграмме стабильного равновесия «Железо – графит») и вследствие распада цементита c образованием смеси феррита и графита: Image. Графитизация зависит от химического состава чугуна и скорости охлаждения отливки, т.е. от её массы. Влияние химического состава. Графитизация практически возможна только в сплавах с высоким содержанием углерода. Чем больше углерода в чугуне, тем больше степень графитизации. Влияние скорости охлаждения. Графитизация является диффузионным процессом, протекающим при высоких температурах во времени. Поэтому она зависит от скорости охлаждения и реализуется полностью только при очень медленном охлаждении. Чем больше толщина стенки отливки, тем меньше скорость охлаждения и полнее протекает процесс графитизации. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||