Материаловедение Конспект лекций. Конспект лекций для студентов 2 курса бакалавриата направления 221700 Стандартизация и метрология
 Скачать 1.64 Mb.
|
Из 106 элементов периодической системы 84 – металлы, 22 – неметаллы. Металлы в твёрдом и, отчасти, в жидком состояниях обладают рядом характерных свойств: 1) высокой тепло- и электропроводностью; 2) положительным температурным коэффициентом электро- сопротивления; 3) хорошей отражательной способностью; металлы непрозрач- ны и обладают металлическим блеском; 4) повышенной способностью к пластической деформации. Классификация материалов включает в себя три основных раз- новидности материалов: металлические материалы, неметалличе- ские материалы, композиционные материалы. Лекция 7. Металлические материалы Металлические материалы принято классифицировать по ос- новному компоненту. По ряду признаков их разбивают на группы: 1. Чёрные металлы: 1) железистые (железо, никель); 2) тугоплавкие (с температурой плавления > 1539°); 46 3) урановые (уран, плутоний); 4) редкоземельные (церий, неодим); 5) щелочноземельные (калий, натрий). 2. Цветные металлы: 1) лёгкие (магний, алюминий); 2) благородные (золото, платина); 3) лёгкоплавкие (висмут, свинец). К материалам чёрной металлургии принадлежат стали, чугуны, ферросплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными ме- таллами в количестве, превосходящем стали. К материалам цветной металлургии принадлежат важнейшие цветные металлы – алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово и сплавы на их основе. К металлическим материалам относятся и мате- риалы порошковой металлургии. 7.1. Стали Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором угле- рода содержится не более 2,14 %. Это теоретическое определение. На практике в сталях, как правило, не содержится углерода более 1,5 %. Влияние углерода и примесей на свойства стали. Углерод существенно влияет на свойства стали даже при незначительном из- менении его содержания. В стали имеются две фазы – феррит и це- ментит (частично в виде перлита). Количество цементита возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Как уже говорилось, феррит характеризуется высокой пластичностью и низкой твёрдо- стью, а цементит, напротив, очень низкой пластичностью и высокой твёрдостью. Поэтому с повышением содержания углерода до 1,2 % снижаются пластичность и вязкость стали и повышаются твёрдость и прочность. Повышение содержания углерода влияет и на технологические свойства стали. Ковкость, свариваемость и обрабатываемость резани- ем ухудшаются, но литейные свойства улучшаются. Кроме железа и углерода в стали всегда присутствуют постоян- ные примеси. Наличие примесей объясняется технологическими осо- бенностями производства стали (марганец, кремний) и невозможно- стью полного удаления примесей, попавших в сталь из железной ру- ды (сера, фосфор, кислород, водород, азот). Возможны также случай- ные примеси (хром, никель, медь и др.). 47 Марганец и кремний вводят в любую сталь для раскисления, т.е. для удаления вредных примесей оксида железа FеО. Марганец также устраняет вредные сернистые соединения железа. При этом со- держание марганца обычно не превышает 0,8 %, а кремния – 0,4 %. Марганец повышает прочность, а кремний – упругость стали. Фосфор растворяется в феррите, сильно искажает кристалличе- скую решётку, снижая при этом пластичность и вязкость, но повышая прочность. Вредное влияние фосфора заключается в том, что он сильно повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние, т.е. вызывает её хладноломкость. Вредность фосфора усугубляется тем, что он может распределяться в стали неравномерно. Поэтому со- держание фосфора в стали ограничивается величиной 0,045 %. Сера также является вредной примесью. Она нерастворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который образует с же- лезом легкоплавкую эвтектику. Эвтектика располагается по границам зёрен и делает сталь хрупкой при высоких температурах. Это явление называется красноломкостью. Количество серы в стали ограничива- ется 0,05 %. Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших ко- личествах. Они являются вредными примесями, ухудшающими свой- ства стали. Классификация сталей. По химическому составу стали могут быть углеродистыми, содержащими железо, углерод и примеси, и ле- гированными, содержащими дополнительно легирующие элементы, введённые в сталь с целью изменения её свойств. По содержанию углерода стали делятся на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25…0,7 % С) и высокоуглеро- дистые (более 0,7 % С). По назначению различают стали конструкционные, идущие на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений, инструмен- тальные, идущие на изготовление различного инструмента, а также стали специального назначения с особыми свойствами: нержавею- щие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие, с особыми электри- ческими и магнитными свойствами и др. По показателям качества стали классифицируются на обыкно- венного качества, качественные, высококачественные и особо высо- кокачественные. Качество стали характеризуется совокупностью свойств, определяемых процессом производства, химическим соста- вом, содержанием газов и вредных примесей (серы и фосфора). В со- ответствии с ГОСТом стали обыкновенного качества должны 48 содержать не более 0,045 % Р и 0,05 % S, качественные – не более 0,035 % Р и 0,04 % S, высококачественные – не более 0,025 % Р и 0,025 % S и особо высококачественные – не более 0,025 % Р и 0,015 % S. Углеродистые конструкционные стали могут быть только обыкновенного качества и качественными. Качественные конструкционные углеродистые стати маркиру- ются цифрами 08, 10, 15, 20, 25, ..., 85, которые обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Эти стали отличаются от сталей обыкновенного качества большей прочностью, пластично- стью и ударной вязкостью. Если для сталей обыкновенного качества максимальная прочность составляет 700 МПа, то для качественной она достигает 1100 МПа. Легированные стали Легированной называют сталь, содержащую специально вве- дённые в неё с целью изменения строения и свойств легирующие элементы. Легированные стали имеют целый ряд преимуществ перед углеродистыми. Они имеют более высокие механические свойства, прежде всего прочность. Легированные стали обеспечивают большую прокаливаемость, а также возможность получения структуры мартен- сита при закалке в масле, что уменьшает опасность появления трещин и коробления деталей. С помощью легирования можно придать стали различные специальные свойства (коррозионную стойкость, жаро- стойкость, жаропрочность, износостойкость, магнитные и электриче- ские свойства). Стали обыкновенного качества могут быть только углероди- стыми, т.е. легированные стали, как минимум, являются качествен- ными. Маркируются легированные стали с помощью цифр и букв, ука- зывающих примерный химический состав стали. Первые цифры в марке показывают среднее содержание углерода в сотых долях про- цента. Далее показывается содержание легирующих элементов. Каж- дый элемент обозначается своей буквой: Н – никель, Г – марганец, Ц – цирконий, Т – титан, X – хром, Д – медь, С – кремний, А – азот, К – кобальт, Р – бор, П – фосфор, Ф – ванадий, М – молибден, Б – ниобий, В – вольфрам, Ю – алюминий. Цифры, идущие после бу- квы, указывают примерное содержание данного легирующего эле- мента в процентах. При содержании элемента менее 1 % цифра от- сутствует. Например, сталь 12Х18Н10Т содержит приблизительно 0,12 % углерода, 18 % хрома, 10 % никеля, менее 1 % титана. Для не- которых групп сталей применяют другую маркировку, которая будет указана при рассмотрении этих сталей. 49 Конструкционные стали Конструкционные стали идут на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений. Они должны обеспечивать длительную и надёжную работу деталей и конструкций в условиях эксплуатации. Поэтому основное требование к конструкционным сталям – комплекс высоких механических свойств. Строительные стали содержат малые количества углерода (0,1…0,3 %). Это объясняется тем, что детали строительных конст- рукций обычно соединяются сваркой. Низкое содержание углерода обеспечивает хорошую свариваемость. В качестве строительных используются углеродистые стали Ст2 и Ст3, имеющие предел текучести σ 0,2 =240 МПа. В низколегирован- ных строительных сталях при содержании около 1,5 % Мn и 0,7 % Si предел текучести увеличивается до 360 МПа. К этим сталям относят- ся 14Г2, 17ГС, 14ХГС. Дополнительное легирование небольшими ко- личествами ванадия и ниобия (до 0,1 %) повышает предел текучести до 450 МПа за счёт уменьшения величины зерна. К сталям такого ти- па относятся 14Г2АФ, 17Г2АФБ. Приведённые стали применяют для строительных конструкций, армирования железобетона, магистральных нефтепроводов и газо- проводов. Цементуемые стали содержат 0,1…0,3 % углерода. Они под- вергаются цементации, закалке и низкому отпуску. После этой обра- ботки твёрдость поверхности составляет HRC 60, а сердцевины HRC – 15…40. Упрочнение сердцевины в этих сталях тем сильнее, чем боль- ше содержание легирующих элементов. В зависимости от степени упрочнения сердцевины цементуемые стали можно разделить на три группы. К сталям с неупрочняемой сердцевиной относятся углеродистые цементуемые стали 10, 15, 20. Их сердцевина имеет феррито- перлитную структуру. Эти стали имеют высокую износостойкость, но малую прочность (σ в = 400…500 МПа). Поэтому они применяются для малоответственных деталей небольших размеров. К сталям со слабо упрочняемой сердцевиной относятся низколе- гированные стали 15Х, 15ХР, 20ХН и др. Сердцевина имеет структуру бейнит. Эти стали имеют повышенную прочность (σ в = 750…850 МПа). К сталям с сильно упрочняемой сердцевиной относятся стали 20ХГР, 18ХГТ, ЗОХГТ, 12ХНЗ, 18Х2Н4В и др. Серцевина имеет мартенсит- ную структуру. Стали этой группы имеют высокую прочность (σ в = 1200…1600 МПа) и применяются для крупных деталей, испытываю- щих значительные нагрузки. 50 Улучшаемые стали содержат 0,3…0,5 % углерода и небольшое количество легирующих элементов (до 3…5 %). Эти стали подверга- ются улучшению, состоящему из закалки в масле и высокого отпуска. После термообработки имеют структуру сорбита. Механические свойства разных марок улучшаемой стали в случае сквозной прока- ливаемости близки (σ в = 900…1200 МПа). Поэтому прокаливаемость определяет выбор стали. Чем больше легирующих элементов, тем выше прокаливаемость. Следовательно, чем больше сечение детали, тем более легированную сталь следует использовать. По прокаливае- мости улучшаемые стали могут быть условно разбиты на пять групп. В первую труппу входят углеродистые стали 35, 40, 45. Эти ста- ли подвергаются нормализации вместо улучшения. Ко второй группе относятся стали, легированные хромом 30Х, 40Х. Третью группу составляют хромистые стали, дополнительно ле- гированные ещё одним – двумя элементами (кроме никеля) 30ХМ, 40ХГ, 30ХГС и др. Четвёртая группа представлена хромоникелевыми сталями, содержащими около 1 % никеля: 40ХН, 40ХНМ и др. В пятую группу входят стали, легированные рядом элементов, причём содержание никеля доходит до 3…4 %: 38ХН3, 38ХН3МФ. Это лучшие марки улучшаемых сталей, хотя они сравнительно дороги. Высокопрочные стали. Новейшая техника предъявляет высо- кие требования к прочности стали (σ в = 1500…2500 МПа). Этим тре- бованиям соответствуют мартенитностареющие стали, сочетающие высокую прочность с достаточной вязкостью и пластичностью. Они представляют собой практически безуглеродистые (до 0,03 % С) сплавы железа с никелем (17…26 % Ni), дополнительно легирован- ные титаном, алюминием, молибденом, ниобием и кобальтом. Широкое распространение получила сталь Н18К9М5Т. Она подвергается закалке на воздухе с 800…850 °С. Высокую прочность маргенситностареюшие стали получают в результате старения, пред- ставляющего собой отпуск, производимый при температуре 450…500 °С. В результате такой термообработки сталь Н18К9М5Т имеет предел прочности σ в = 2000 МПа. Кроме упомянутой выше стали, нашли применение стали Н12К8М3Г2, МЮХ11М2Т, Н12К8М4Г2 и др. Мартенситностареющие стали применяют в авиа- ционной промышленности, в ракетной технике, судостроении и т.д. Они обладают хорошей свариваемостью и обрабатываемостью. Эти стали являются достаточно дорогостоящими. 51 Износостойкие стали способны сопротивляться процессу из- нашивания. Изнашивание – это процесс постепенного разрушения поверхностных слоёв трущихся деталей, который приводит к умень- шению их размеров (износу). Износостойкие стали можно разделить на три группы. В первую группу входят стали, износостойкость которых дости- гается высокой твёрдостью поверхности. Они подвергаются закалке и низкому отпуску или химико-термической обработке. Имеют структуру мартенсита или мартенсита с карбидными включениями. К этой группе относятся подшипниковые стали, из ко- торых изготавливаются шарики и ролики подшипников качения. Со- держание углерода в них около 1 %. Ко второй группе относятся стали, износостойкость которых достигается смазывающим действием графита. Эти стали имеют в структуре графитные включения, которые в процессе изнашивания выходят на поверхность и выполняют роль сухой смазки. Эти стали имеют высокое содержание углерода (1 %) и кремния (1 %), что повышает способность к графитизации. Третью группу составляют стали, износостойкость которых достигается повышенной склонностью к наклёпу, плохо обрабатыва- ется резанием, поэтому применяется в литом состоянии. Стали со специальными свойствами Коррозионностойкие (нержавеющие) стали. Коррозией назы- вается разрушение металла под действием внешней агрессивной сре- ды в результате её химического или электрохимического воздействия. Различают химическую коррозию, обусловленную воздействием на металл сухих газов и неэлектролитов (например, нефтепродуктов) и электрохимическую, возникающую под действием жидких электро- литов или влажного воздуха. По характеру коррозионного разруше- ния различают сплошную и местную коррозию. Сплошная коррозия захватывает всю поверхность металла. Её делят на равномерную и неравномерную в зависимости от того, одинаковая ли глубина корро- зионного разрушения на разных участках. При местной коррозии по- ражения локальны. В зависимости от степени локализации различают пятнистую, язвенную, точечную, межкристаллитную и другие виды местной коррозии. Самый надёжный способ защиты от коррозии – применение коррозионностойких сталей. Коррозионная стойкость достигается при введении в сталь элементов, образующих на её поверхности тон- кие и прочные оксидные плёнки. Наилучший из этих элементов – 52 хром. При введении в сталь 12…14 % хрома она становится устойчи- вой против коррозии в атмосфере, воде, ряде кислот, щелочей и со- лей. Стали, содержащие меньшее количество хрома, подвержены коррозии точно так же, как и углеродистые стали. В технике приме- няют хромистые и хромоникелевые коррозионностойкие стали. Другие методы защиты от коррозии. Распространённым сред- ством защиты от коррозии является нанесение на защищаемый металл различных покрытий. Металлические покрытия наносятся раз- личными способами. При погружении в расплавленный металл поверхность изделия покрывается тонким и плотным слоем, затвер- девающим после извлечения изделия. Этот способ применяется для нанесения покрытий цинком, оловом, свинцом и алюминием, темпе- ратура плавления которых ниже, чем у защищаемого металла. Жаростойкие и жаропрочные стали. Под жаростойкими сталями понимают стали, обладающие стойкостью против химического раз- рушения поверхности при высокой температуре (свыше 550 °С). Для повышения жаростойкости сталь легируют элементами, об- разующими плотную плёнку, через которую атомы кислорода не проникают. Эти элементы – хром, алюминий, кремний. Так как алю- миний и кремний повышают хрупкость стали, чаще всего применяют хром. Чем больше его содержание, тем более жаропрочной является сталь. Жаропрочные материалы способны противостоять механиче- ским нагрузкам при высоких температурах. Жаропрочные стали клас- сифицируются по структуре. Инструментальные стали и сплавы По назначению инструментальные стали делятся на стали для режущего, измерительного и штампового инструмента. Кроме сталей, для изготовления режущего инструмента применяются металлокера- мические твёрдые сплавы и минералокерамические материалы. Ре- жущий инструмент работает в сложных условиях, подвержен интен- сивному износу, при работе часто разогревается. Поэтому материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твёрдостью, износостойкостью и теплостойкостью. Теплостойкость – это способность сохранять высокую твёрдость и режущие свойства при длительном нагреве. Углеродистые инструментальные стали содержат 0,7…1,3 % уг- лерода. Они маркируются буквой У и цифрой, показывающими со- держание углерода в десятых долях процента (У7, У8, У9, ..., У13). Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная (У7А, У8А, ..., У13А). Кроме того, эти стали достаточно дёшевы и в незакалённом состоянии сами хорошо обрабатываются. 53 Низколегированные инструментальные стали содержат в сумме около 1…3 % легирующих элементов. Они обладают повы- шенной по сравнению с углеродистыми сталями прокаливаемостью, но теплостойкость их невелика – до 400 °С. Основные легирующие элементы – хром, кремний, вольфрам, ванадий. Быстрорежущие стали – предназначены для работы при высо- ких скоростях резания. Главное их достоинство – высокая теплостой- кость (до 650 °С). Это достигается за счёт большого количества леги- рующих элементов – вольфрама, хрома, молибдена, ванадия, кобальта. Маркируются быстрорежущие стали буквой Р, число после которой показывает среднее содержание вольфрама в %. Далее идут обозна- чения и содержание других легирующих элементов. Содержание уг- лерода во всех быстрорежущих сталях приблизительно 1 %, а хрома – 4 %. Поэтому эти элементы в марке не указываются. Например, Р18, Р9, Р6М5, Р6М5Ф2К8. |