16334850003245_Бабенко Э.Г. Конструкционные материалы 2014. Э. Г. Бабенко конструкционные материалы для деталей технических устройств железнодорожного транспорта рекомендовано Методическим советом по качеству образовательной деятельности двгупс в качестве учебного пособия Х
 Скачать 3.25 Mb.
|
|
Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения Кафедра Подвижной состав железных дорог Э.Г. Бабенко КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Рекомендовано Методическим советом по качеству образовательной деятельности ДВГУПС в качестве учебного пособия Хабаровск Издательство ДВГУПС 2014 2 УДК [620.22 : 621 : 656.2] (075.8) ББК К 43 я Б 124 Рецензенты Кафедра Литейное производство и технология металлов Тихоокеанского государственного университета заведующий кафедрой, доктор технических наук, заслуженный деятель науки Российской Федерации, профессор Ри Хосен) Доктор технических наук, заслуженный деятель науки Российской Федерации, профессор АД. Верхотуров Бабенко, Э. Г. Б 124 Конструкционные материалы для деталей технических устройств железнодорожного транспорта : учеб. пособие / Э. Г. Бабенко. – Хабаровск Изд-во ДВГУПС, 2014. – 223 с. : ил. Учебное пособие соответствует ФГОС ВО по специальностям 23.05.03 Подвижной состав железных дороги Наземные транспортно- технологические средства, направлению подготовки бакалавров 23.03.02 Наземные транспортно-технологические комплексы. Изложены общие сведения о конструкционных материалах, приведены основные положения теории сплавов, показаны основы взаимодействия звеньев системы состав материала – структура – свойства – технология. Рассмотрены классификация, свойства, маркировка, назначение наиболее распространенных в промышленности и на железнодорожном транспорте групп конструкционных материалов. Дана информация о европейской, американской и японской системах обозначения сталей. Учебное пособие содержит задания и рекомендации по выполнению самостоятельных работ. Предназначено для студентов го курсов всех форм обучения, изучающих дисциплины Материаловедение и Технология конструкционных материалов. Может быть полезно для инженерно-технических работников и аспирантов. УДК [620.22 : 621 : 656.2] (075.8) ББК К 43 я © ДВГУПС, 2014 3 ВВЕДЕНИЕ Удельный вес перевозок железнодорожным транспортом в общем объеме перевозок любой страны складывается с учетом экономико- географических и этнографических факторов размещения природных ресурсов и производительных сил, численности населения, размера территории, топливно-энергетических возможностей и др. Ежегодно в странах мира перевозится свыше 10 трлн тонн грузов и почти 15 трлн пассажиров. В России железные дороги являются самой массовой отраслью транспорта. В настоящее время – это сложное многоотраслевое хозяйство, вобравшее в себя многие достижения науки и техники. Все его технические устройства прошли сложный путь совершенствования, насыщения результатами множества исследований в области фундаментальных наук, внедрения прогрессивных технологий и материалов. Для стабильного функционирования транспорта требуются самые разнообразные материалы строительные, лесные химические, текстильные, бумажные, кожаные, электротехнические, смазочные, металлы, топливо и другие. Материалы необходимы для постройки железнодорожного пути, локомотивов, вагонов, устройств связи, мостов, зданий, а также для безотказной эксплуатации технических средств. Еще в конце XVIII века знаменитый английский физик Джордж Паджет Томсон отмечал «… в техническом процессе участвуют три элемента знания, энергия и материалы. От этих трех элементов зависит насколько цивилизация может господствовать над природой. Знание безусловно является главным из них. Выбор того или иного материала или замена одного другим должны быть технически или экономически обоснованы. Для успешного решения подобных задач будущий специалист не может оставаться однобоким. Он должен быть человеком широких взглядов, в некоторой степени энциклопедистом, ему следует в какой-то мере владеть данными других наук, отличающихся от избранной им области. Все это возможно только на прочном фундаменте самого точного владения всем, что относится к его специальности. Очень важным является умение правильной трактовки полученных фактов, грамотное применение их в практической деятельности. Но также, как практической деятельности предшествует умение, необходимыми условиями для появления умения служат знание и понимание. Истории цивилизации присущи этапы, наиболее полно отражающие прогресс человеческого общества получение огня, развитие скотоводства, культивирование злаковых растений и, наконец, открытие тайны превращения руды в металл. Появление металлургии в седьмом тысячелетии до нашей эры (как свидетельствуют археологические раскопки) обеспечило людей металлами и сплавами, что сыграло решающую роль в последующем развитии производительных сил. Металлы как основной конструкционный материал с древнейших времени по сегодняшний день являются самыми надежными помощниками человека. Почти три четверти химических элементов таблицы Менделеева, из которых состоит все существующее во Вселенной, составляют металлы. Многие из них находят широкое применение в технике ив быту. Но еще большее распространение получили сплавы, состоящие из нескольких металлических и неметаллических элементов. Как правило они обладают свойствами, превосходящими свойства чистых металлов. Одни имеют высокую твердость, износостойкость, способность выдерживать огромные давления и температуры. Другие, наоборот, очень пластичны, хорошо куются и штампуются, третьи даже плавятся в горячей воде. В настоящее время наибольшее распространение получили так называемые черные сплавы – стали и чугуны, основой которых является железо. Эти сплавы относительно дешевые, имеют высокое качество. Стали и чугуны – универсальные материалы. Изменяя их химический состав и структуру, вводя добавки других металлов, можно получать сплавы сочень широким диапазоном физико-химических и эксплуатационных свойств сверхтвердые, жаростойкие, нержавеющие под действием даже самых сильных кислот, износостойкие, выдерживающие большие ударные нагрузки и др. Бурное развитие машиностроения, приборостроения, авиационно- космической, энергетической и других важнейших отраслей привело к созданию нового класса высокопрочных, жаропрочных и высокомодуль- ных материалов, называемых композиционными. Наряду с высокими удельными значениями прочности, жесткости, жаропрочности композиты могут обладать заданным комплексом различных специальных свойств – радиопоглощающих, радиопрозрачных, диэлектрических, магнитных и др. Это достигается сочетанием разнородных материалов (металлы, сплавы, керамика, полимеры, карбидов, бориды и т. д, при котором используются полезные свойства отдельных компонентов, входящих в композицию. Композиционные материалы сыграли существенную роль в решении многих проблем, связанных с авиацией, морским флотом, освоением космоса. В настоящее время спрос на такие материалы непрерывно возрастает, ив ближайшие годы сфера их использования будет непрерывно расширяться. 5 В деле создания новых материалов с уникальными свойствами неоценимое значение приобретает использование нанотехнологий. Много внимания уделяется получению металлов высокой чистоты, в которых на миллиарды атомов основного материала приходится небо- лее одного атома примесей. Дело в том, что многие металлы, практически свободные от примесей, резко отличаются по свойствам от тех же металлов, хотя бы немного загрязненных другими элементами. В этом отношении показателен титан. Еще вначале прошлого века металлургам не удавалось получать его чистым – в нем всегда присутствовали примеси. Всего несколько десятых долей процента делали титан хрупким, непрочным, неподдающимся механической обработке. О нем сложилось мнение, как о бесполезном материале. Но при получении титана высокой чистоты металл в корне преобразился он оказался настолько пластичным, что легко ковался даже на холоде, его можно было прокатывать в листы, ленту, проволоку и даже в тонкую фольгу. В последние годы у металлов появился серьезный конкурент в виде ряда продуктов современной химии – пластмасс, синтетических волокон, керамики, разных видов стекол и т. д. Ежегодное мировое производство одних только пластмасс измеряется сейчас миллионами тонн. Однако выплавка черных и цветных металлов растет не менее быстрыми темпами. Каждый день миллиарды людей используют широчайший ассортимент изделий из самых разнообразных материалов. Для придания определенных свойств каждому из них необходимы знания о тех процессах, которые происходят в материалах при их получении, обработке и эксплуатации. Как нельзя точнее сказал об этом еще в XVI веке известный английский философ Ф. Бэкон: То, что достойно существовать, – достойно быть зна- емо». Потому пока будут цениться конструкционные материалы, будут цениться и знания о них. Курс Материаловедение. Технология конструкционных материалов, являясь одним из основных в цикле технических дисциплин при подготовке инженерных и научных кадров, дает знания о составе, структурах, свойствах конструкционных материалов, технологии их обработки, рациональному использованию в технических устройствах. Настоящее пособие написано с целью помочь студентами аспирантам понять сущность процессов, происходящих в конструкционных материалах при воздействии на них внешних факторов. Дать знания об основных группах конструкционных материалов, их свойствах, областях использования. Изучить основы взаимодействия звеньев системы состав материала – структура – свойства – технология с последующим наиболее рациональным решением задач по повышению надежной эксплуатации технических устройств, в том числе и на железнодорожном транспорте. 7 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ 1.1. Определение и классификация металлов Металл (нем. м первоисточник греч. metallon шахта, руда, металл) в развитии человечества сыграл существенную роль. В 1836 г. датчанин Кристиан Юргенсен Томсен составлял путеводитель к археологической выставке одного из музеев Копенгагена. Передним витали вопросы как расположить экспонаты какой основной признак развития человеческого общества Томсен дал четкий ответ уровень развития общества определяется основным рабочим материалом эпохи. В соответствии с этим они расположил экспонаты по схеме каменный век – бронзовый век – железный век. После нескольких десятилетий полемики, такое деление стало общепринятым. Металлы и сплавы на их основе являются в современном обществе основными конструкционными материалами. Люди с давних времен пытались понять, что такое металл. Самое известное из ранних определений металла было дано в середине XVII в. Михаилом Васильевичем Ломоносовым Металл – суть (есть) светлое тело, которое ковать можно. Таких тел находим только шесть золото, серебро, медь, олово, железо и свинец. Следовательно, существовала твердая уверенность в том, что металлы обладают особыми свойствами, которые объединяют их между собой и выделяют из всего неорганического мира. Характерный блеск (светлое тело) и пластичность (ковать можно) считалось ранее их фундаментальными отличительными признаками. Но металлическим блеском обладают некоторые неметаллы (например, йода мелкие порошки металлов кажутся черными. Ртуть при комнатной температуре представляет собой жидкость и ковать ее невозможно. Впрочем сам же МВ. Ломоносов доказал, что ртуть относится к металлам. В 1759 гон (совместно с петербургским академиком И.А. Брауном) охладил ртуть в смеси из снега и азотной кислоты до перехода в твердое состояние, при котором она стала ковкой, как свинец. Отмеченные изъяны определения МВ. Ломоносова вызваны были недостатком в его время знаний ни о протекании электрического тока, ни о роли электронов в металле. К настоящему времени сформировалось более четкое определение металлов – это вещества, обладающие в обычных условиях характерными металлическими свойствами – способностью хорошо отражать световые волны (блеск – кристалличностью – высокими значениями тепло- и электропроводимости; – отрицательным температурным коэффициентом электрической проводимости. 8 Не все металлы и не при всех условиях обладают полной совокупностью отмеченных свойств. Из всех элементов периодической системы Д.И. Менделеева более 78 % относятся к металлами подобрать при таком многообразии абсолютно точное определение – задача почти безнадежная. Поэтому на сегодняшний день важнейшим признаком металла является последнее свойство – отрицательный температурный коэффициент электрической проводимости, те. понижение электропро- водимости с ростом температуры и наоборот. В общем случае металлы делятся на две большие группы черные железо и сплавы на основе железа) и цветные (алюминий, магний, цинк, никель, медь, титан и др. Помимо черных и цветных металлов и сплавов различают легкие (магний, бериллий, алюминий, титан, благородные серебро, золото, платина, палладий, родий, осмий, рутений, редкоземельные (лантаноиды, щелочноземельные (натрий, калий, цинк, тугоплавкие (вольфрам, молибден, тантал, ниобий, легкоплавкие (цинк, ртуть, олово, свинец, висмут, сурьма, галлий, германий, урановые (актиноиды. Часть элементов Периодической системы Д.И. Менделеева кремний, теллур, селен, германий) являются промежуточными между металлами и неметаллами. 1.2. Строение металлов Известно, что атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра и отрицательных электронов. Внешние (валентные) электроны металлов (в отличие от неметаллов) с ядром связаны слабо. Поэтому атомы металлов легко теряют валентные электроны, которые свободно перемещаются в межатомном пространстве, образуя так называемый электронный газ. Атомы, потерявшие валентные электроны превращаются в ионы. Так как электроны электронного газа в одинаковой степени принадлежат всем ионам металла и не связаны с отдельными атомами, то металлическая межатомная связь не имеет направленного характера. Наличие таких коллективизированных электронов формирует характерные свойства металлов. Высокая пластичность предопределяется тем, что ионы как бы плавают в облаке электронного газа. При смещении отдельных объемов металла связь между ионами не нарушается и разрушение не происходит. Наличием электронного газа объясняются высокие электро- и тепло- проводимость металлов. С увеличением температуры колебания ионов усиливаются, что затрудняет перенос зарядов электронами. И, наоборот, при понижении температуры электропроводимость растет, что в ряде случаев вызывает явление сверхпроводимости. 9 x y z a Рис. 1. Схема кристаллической решетки Характерный металлический блеск является результатом взаимодействия свободных электронов с электромагнитными световыми волнами. Металлы имеют кристаллическое строение, те. определенное расположение ионов (атомов) в пространстве. Для описания такой структуры используется понятие кристаллической решетки – воображаемой пространственной сетки (рис. 1) с ионами в узлах Атомно-кристаллическая структура может быть представлена элементом объема решетки с минимальным количеством частиц (атомов, многократным переносом которого в пространстве может быть построен весь кристалл. Такой элементарный объем характеризует строение данного типа кристалла и называется элементарной ячейкой. Подавляющее большинство металлов имеют следующие типы кристаллических ячеек объемноцентрированную кубическую (ОЦК), гранецентрированную кубическую (ГЦК) и гексагональную плотноупакованную (ГПУ) (рис. 2). Менее распространены ромбоэдрическая, тетрагональная и более сложные решетки. а б в Рис. 2. Типы элементарных кристаллических ячеек а – объемноцентрированная кубическая б – гранецентрированная кубическая в – гексагональная плотноупакованная Кристаллические решетки характеризуются следующими основными параметрами периодом решетки, атомным радиусом, базисом, коэффициентом компактности и координационным числом. 10 Периодом решетки называется расстояние между центрами соседних ионов (атомов. Периоды a, b, c (см. рис. 1) выражаются в нанометрах (нм = 10 м. Период кубической решетки а находится в пределах 0,286…0,607 нм. Для гексагональных решеток а = 0,228…0,398 нм, с = 0,357…0,652 нм. Атомный радиус половина межатомного расстояния между центрами ближайших атомов в кристаллической решетке при нормальной температуре и атмосферном давлении. Атомный радиус не является неизменной величиной. Он зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются координационное число и тип химической связи между атомами. Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки. В объемноцентрированной кубической решетке (риса) атомы ионы) расположены в вершинах ив центре объема куба. Каждый угловой атом принадлежит восьми соседним ячейкам. Следовательно, одной ячейке принадлежит 1/8 углового атома. Только внутренний атом целиком принадлежит данной ячейке. Значит, на одну ячейку объемноцентрированной кубической решетки приходится 8 · 1/8 + 1 = 2 атома. В гранецентрированной кубической решетке (рис. 2, б) атомы (ионы) находятся в вершинах ив центрах каждой грани куба. Каждый угловой атом входит в восемь элементарных ячеек, а находящийся в центре грани – в две соседние ячейки. В центре куба атома нет. Следовательно, на одну ячейку приходится 8 · 1/8 + 6 · 1/2 = 4 атома. У гексагональной плотноупакованной решетки (рис. 2, в) элементарной ячейкой является шестигранная призма, в которой атомы находятся в вершинах, в центрах оснований и внутри. Два атома, лежащие в центрах шестиугольников, принадлежат двум соседним ячейкам 2 · 1/2 = 1 атом. Двенадцать атомов в вершинах призмы относятся к шести соседним ячейкам атома. Три атома, находящиеся внутри призмы полностью принадлежат данной ячейке 3 · атома. Значит, на одну ячейку гексагональной плотноупакованной решетки приходится 1+2+3 = 6 атомов. Таким образом, базис объемноцентрированной кубической решетки – 2, гранецентрированной кубической – 4, гексагональной плотноупакованной. Коэффициентом компактности) решетки называется отношение объема атомов а, входящих в решетку, ко всему объему решетки р ή.= V a /V p 100 %. Для объемноцентрированной кубической решетки коэффициент компактности составляет 68 %, гранецентрированной кубической 74 %, гексагональной плотноупакованной 74 %. Таким образом, решетки ГЦК и ГПУ более компактны, чем ОЦК. 11 Координационное число (К) соответствует числу атомов ионов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от выбранного атома кристаллической решетки. В объемноцентрированной кубической решетке атом А (риса) находится на наиболее близком равном расстоянии от восьми атомов вершин куба, те. координационное число этой решетки равно 8 (К. А 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 А 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 А а б в Рис. 3. Координационные числа для различных кристаллических решеток а – объемноцентрированной кубической (К б – гранецентрированной кубической Кв гексагональной плотноупакованной (КВ гранецентрированной кубической решетке (см. рис. 3, б, расположенный на грани атом А находится на наиболее близком равном расстоянии от четырех атомов (1,2,3,4) вершин куба от четырех атомов (5,6,7,8), расположенных на гранях куба и от четырех атомов (9,10,11,12), принадлежащих кристаллической ячейке, расположенной рядом. Следовательно, для решетки ГЦК координационное число равно 12 (КВ гексагональной плотноупакованной решетке атом А находится на наиболее близком равном расстоянии от шести атомов (1,2,3,4,5,6) вершин шестигранника основания призмы, от трех атомов (7,8,9), расположенных в средней части призмы и от трех атомов (10,11,12), находящихся в средней части соседней кристаллической ячейки. Таким образом, для гексагональной плотноупакованной решетки координационное число равно 12 (К. Обычно металл представляет собой конгломерат большого числа кристаллов, которые расположены по отношению друг к другу совершенно произвольно, но прочно связанные между собой в единое целое. Такое строение металла называется поликристаллическим. Кристаллы в поликристаллическом теле не обладают правильной геометрической 12 формой и поэтому они называются зернами или кристаллитами. Зерна в поликристаллическом металле сопрягаются между собой самыми различными кристаллографическими плоскостями. Следовательно, границы между зернами представляют собой участки, в которых кристаллическая решетка искажена. При этом искажения захватывают лишь приграничные области решеток каждого зерна, те. практически они распространяются только по поверхности зерен. Поэтому они называются двумерными несовершенствами и существенно влияют на свойства металла. Встречаются случаи, когда весь объем металла занимает один кристалл. Такой объем называется монокристаллом. На монокристаллах металлов наглядно проявляется анизотропия (неодинаковость) многих свойств по разным направлениям. Разница в прочности и твердости может доходить до 3…5 раз. Существенное влияние на свойства металлов и сплавов оказывает величина зерна. Наглядным примером являются нанокристаллические материалы. Нанокристалическими называются материалы со структурой, состоящей из кристаллических зерен размером 1…15 нм. В таких материалах от 2 до 50 % объема приходится на межзеренные границы. Поэтому нанокристаллический материал может быть разделен на два структурных компонента кристаллический, включающий с себя атомы, расположенные внутри кристаллов и межкристаллитный, состоящий из атомов, расположенных на границе. Прочность нанокристалических металлов значительно выше, чем их крупнозернистых аналогов. Так, например, нанокристаллический титан имеет пределы текучести 0,2 = 654 МПа и прочности в = 716 МПа. В то время как его крупнозернистый аналог – 0,2 = 360 МПа ив МПа. Следовательно, можно считать, что нанометровые размеры кристаллов являются основным источником прочности нанокристаллических материалов. Полиморфные превращения металлов Некоторые металлы (железо, титан, кобальт, цирконий и др) при разных температурах имеют различные кристаллические решетки. Такое явление называется полиморфизмом или аллотропией. Процесс перехода из одного кристаллического строения в другое называется полиморфным (аллотропическим) превращением. Строение, получающееся в результате полиморфного превращения, называется аллотропической формой. Аллотропическая форма, устойчивая при более низкой температуре, обозначается индексом , при более высокой – , итак далее. 13 Температура, при которой происходит переход решетки из одного видав другой, называется температурой полиморфного превращения или температурой перекристаллизации. При этом изменяются свойства металла (плотность, теплопроводность, теплоемкость и др. Аллотропические превращения при нагревании происходят с поглощением тепла, а при охлаждении сего выделением. Как при нагревании, таки при охлаждении аллотропические превращения происходят с некоторым запаздыванием. Так, превращение -модификации в -модификацию, происходящее при нагревании, будет всегда выше температуры превращения в , происходящее при охлаждении (рис. 4). Такое явление называется гистерезисом. 200 400 600 800 1000 1400 1200 0 t, Со 1539 1392 911 768 Fe Fe (Fe ) Fe Fe немагнитно магнитно жидкий сплав Время Рис. 4. Кривая охлаждения чистого железа До температуры 1539 С происходит охлаждение жидкого железа. При 1539 Сна кривой охлаждения появляется площадка. При этой температуре железо затвердевает и выделяется скрытая теплота кристаллизации. По окончании кристаллизации и до температуры 1392 С железо имеет объемноцентрированную кубическую решетку (Fe ). При 1392 Сна кривой появляется вторая площадка, связанная с аллотропическим превращением -железа (Fe ) в -железо (Fe ), имеющее гранецентрированную кубическую решетку. При аллотропическом превращении исчезают старые зерна и появляются новые. Такое превращение аналогично процессу кристаллизации вначале образуются зародыши, а затем идет рост зерен новой модификации. Такое превращение является перекристаллизацией. 14 Следующая площадка наблюдается на кривой охлаждения при температуре С по причине превращения Fe в Fe . Кристаллическая решетка превращается из гранецентрированной опять в объемноцентрированную кубическую, которая сохраняется до самых низких температур. Площадка на кривой охлаждения, соответствующая температуре 768 С, связана нес перестройкой кристаллической решетки, ас перестройкой электронных оболочек атомов и изменением магнитных свойств. Ниже 768 С железо магнитно, а выше – немагнитно. Иногда немагнитное железо Fe называют Fe β , а высокотемпературную модификацию Fe (в интервале 1392…1539 С) – Полиморфные превращения протекают как в чистых металлах, таки в сплавах. Металлы, имеющие только один тип кристаллической решетки, называются изоморфными (никель, медь, хром, вольфрам и другие. |