Конспект лекций по дисциплине технология конструкционных материалов раздел материаловедение

• Название: Конспект лекций по дисциплине технология конструкционных материалов раздел материаловедение
• Дата: 26.11.2021
• Размер: 0.99 Mb.
• Имя файла: Konspekt_lektsiy__materialovedenie.doc
• Тип: Конспект; #282890
• страница: 3 из 7

3.2. Стали
Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором углеро­да 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 измене­нии его содержания. В стали имеются две фазы — феррит и цементит (частично в виде перлита). Количество цементита возрастает прямо пропорционально содержанию углерода.Как уже говорилось, феррит характеризуется высокой пластичностью и низкой твердостью, а це­ментит, напротив, очень низкой пластичностью и высокой твердо­стью. Поэтому с повышением содержания углерода до 1,2 % снижают­ся пластичность и вязкость стали и повышаются твердость и прочность.

Повышение содержания углерода влияет и на технологические свойства стали. Ковкость, свариваемость и обрабатываемость реза­нием ухудшаются, по литейные свойства улучшаются.

Кроме железа и углерода в стали всегда присутствуют постоянные примеси. Наличие примесей объясняется технологическими особен­ностями производства стали (марганец, кремний) и невозможностью полного удаления примесей, попавших в сталь из железной руды (сера, фосфор, кислород, водород, азот). Возможны также случайные при­меси (хром, никель, медь и др.).

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 содер­жание марганца обычно не превышает 0,8 %, а кремния — 0,4 %. Марганец повышает прочность, а кремний упругость стали.

Фосфор растворяется в феррите, сильно искажает кристалли­ческую решетку, 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 ее хладноломкость. Вредность фосфора усугубля­ется тем, что он может распределяться в стали неравномерно. По­этому содержания 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 железом легкоплавкую эвтектику. Эвтектика располагается по гра­ницам зерен и делает сталь хрупкой при высоких температурах. Это явление называется красноломкостью. Количество серы в стали ог­раничивается 0,05 %.

Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших ко­личествах. Они являются вредными примесями, ухудшающими свой­ства стали.

Классификация сталей. По химическому составу стали могут быть углеродистыми, содержащими железо, углерод и примеси и легированными, содержащими дополнительно легирующие элемен­ты, введенные в сталь с целью изменения ее свойств.

По содержанию углерода стали делятся на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25 … 0,7 % С) и высокоуглеро­дистые (более 0,7 % С).

По назначению различают стали конструкционные, идущие на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений, инстру­ментальные, идущие на изготовление различного инструмента, а также стали специального назначения с особыми свойствами: нержавею­щие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие, с особыми элект­рическими и магнитными свойствами и др..

По показателям качества стали классифицируются на обыкно­венного качества, качественные, высококачественные и особо высо­кокачественные. Качество стали характеризуется совокупностью свойств, определяемых процессом производства, химическим соста­вом, содержанием газов и вредных примесей (серы и фосфора). В соответствии с ГОСТом стали обыкновенного качества должны 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 маркируют­ся 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, пластичностью и ударной вязкостью. Если для сталей обыкновенного качества макси­мальная прочность составляет 700 МПа, то для качественной она достигает 1100 МПа. Более подробно они будут рассмотрены совместно с конструкционными легированными сталями (см. раздел 5.1.).

3.3. Чугуны
Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий от 2,14 до 6,67 % углерода. Но это теоретическое определение. На практике содержание углерода в чугунах находится в пределах 2,5…4,5 %. В качестве примесей чугун содержит Si, Мn, Sи Р.

Классификация чугунов. В зависимости от того, в какой форме содержится углерод в чугунах, различают следующие их виды. В бе­лом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде це­ментита. Структура белого чугуна соответствует диаграмме Fе-Fе₃С. В сером чугуне большая часть углерода находится в виде графита, вклю­чения которого имеют пластинчатую форму. В высокопрочном чугуне графитные включения имеют шаровидную форму, а в ковком — хлопь­евидную. Содержание углерода в виде цементита в сером, высоко­прочном и ковком чугунах может составлять не более 0,8%.

Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и очень плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не ис­пользуется и применяется как предельный чугун, т.е. идет на произ­водство стали. Для деталей с высокой износостойкостью использу­ется чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой — белого чугуна. Машиностроительными чугунами, идущими на изго­товление деталей, являются серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Детали из них изготовляются литьем, так как чугуны имеют очень хорошие литейные свойства. Благодаря графитным включени­ям эти чугуны хорошо обрабатываются, имеют высокую износостой­кость, гасят колебания и вибрации. Но графитные включения умень­шают прочность.

Таким образом, структура машиностроительных чугунов состо­ит из металлической основы и графитных включений. По металли­ческой основе они классифицируются на ферритный чугун (весь углерод содержится в виде графита), феррито-перлитный и перлит­ный (содержит 0,8% углерода в виде цементита). Характер ме­таллической основы влияет на механические свойства чугунов: проч­ность и твердость выше у перлитных, а пластичность — у ферритных.

Серый чугун имеет пластинчатые графитные включения. Струк­тура серого чугуна схематически изображена на рис. 14,а. Получают серый чугун путем первичной кристаллизации из жидкого сплава.



На графитизацию (процесс выделения графита) влияют скорость охлаждения и химический состав чугуна. При быстром охлаждении графитизации не происходит и получается белый чугун. По мере уменьшения скорости охлаждения получаются, соответственно, пер­литный, феррито-перлитный и ферритный серые чугуны. Способ­ствуют графитизации углерод и кремний.

Кремния содержится в чу­гуне от 0,5 до 5 %. Иногда его вводят специально. Марганец и сера препятствуют графитизации. Кроме того, сера ухудшает механичес­кие и литейные свойства. Фосфор не влияет на графитизацию, но улучшает литейные свойства.

Механические свойства серого чугуна зависят от количества и размера графитных включений. По сравнению с металлической ос­новой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитные включе­ния можно считать нарушениями сплошности, ослабляющими ме­таллическую основу. Так как пластинчатые включения наиболее сильно ослабляют металлическую основу, серый чугун имеет наибо­лее низкие характеристики, как прочности, так и пластичности сре­ди всех машиностроительных чугунов. Уменьшение размера графит­ных включений улучшает механические свойства. Измельчению графитных включений способствует кремний.

Маркируется серый чугун буквами СЧ и числом, показывающем предел прочности в десятых долях мегапаскаля. Так, чугун СЧ 35 имеет σ_в=350 МПа. Имеются следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20. ..., СЧ 45.

Высокопрочный чугун имеет шаровидные графитные включе­ния. Структура высокопрочного чугуна изображена на рис. 14,б. Получают высокопрочный чугун добавкой в жидкий чугун неболь­шого количества щелочных или щелочноземельных металлов, кото­рые округляют графитные включения в чугуне, что объясняется уве­личением поверхностного натяжения графита. Чаще всего для этой цели применяют магний в количестве 0,03…0,07 %. По содержанию других элементов высокопрочный чугун не отличается от серого.

Шаровидные графитные включения в наименьшей степени ос­лабляют металлическую основу. Именно поэтому высокопрочный чугун имеет более высокие механические свойства, чем серый. При этом он сохраняет хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации и т. д.

Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности и десятых долях мегапаскаля. Например, чугун ВЧ 60 имеет σ_в = 600 МПа. Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Применяются высокопрочные чугуны для изготовления ответственных деталей — зубчатых колес, валов и др.

Ковкий чугун имеет хлопьевидные графитные включения (рис. 14, в). Его получают из белого чугуна путем графитизирующего отжига, ко­торый заключается в длительной (до 2 суток) выдержке при темпера­туре 950…970 °С. Если после этого чугун охладить, то получается ков­кий перлитный чугун, металлическая основа которого состоит из перлита и небольшого количества (до 20 %) феррита. Такой чугун называют также светлосердечным. Если в области эвтектоидного пре­вращения (720…760 °С) проводить очень медленное охлаждение или даже дать выдержку, то получится ковкий ферритный чугун, металли­ческая основа которого состоит из феррита и очень небольшого ко­личества перлита (до 10 %). Этот чугун называют черносердечным, так как он содержит сравнительно много графита.

Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, пока­зывающими предел прочности в десятых долях мегапаскаля и от­носительное удлинение в %. Так, чугун КЧ 45-7 имеет σ_в = 450 МПа и δ= 7%. Ферритные ковкие чугуны (КЧ 33-8, КЧ 37-12) имеют более высокую пластичность, а перлитные (КЧ 50-4, КЧ 60-3) более высокую прочность. Применяют ковкий чугун для деталей неболь­шого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.
4. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Термической обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры. Различают следующие виды термической об­работки: отжиг, закалка и отпуск.
4.1. Отжиг
Отжигом стали называется вид термической обработки, заклю­чающийся в ее нагреве до определенной температуры, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении. Цели отжига — сниже­ние твердости и улучшение обрабатываемости стали, изменение формы и величины зерна, выравнивание химического состава, сня­тие внутренних напряжений. Существуют различные виды отжига: пол­ный, неполный, диффузионный, ре кристаллизационный, низкий, отжиг на зернистый перлит, нормализация. Температуры нагрева стали для ряда видов отжига связаны с положением линий диаграммы Fе-Fе₃С. Низкая скорость охлаждения обычно достигается при остывании стали вместе с печью.

Полный отжиг применяется для доэвтектоидных сталей. Нагрев стали для полного отжига осуществляется на 30…50 °С выше линии GS диаграммы Fе-Fе₃С (рис. 15). При этом происходит полная пере­кристаллизация стали и уменьшение величины зерна. Исходная струк­тура из крупных зерен феррита и перлита при нагреве превращается в аустенитную, а затем при медленном охлаждении в структуру из мелких зерен феррита и перлита. Повышение температуры нагрева привело бы к росту зерна. При полном отжиге снижается твердость и прочность стали, а пластичность повышается.

При неполном отжиге нагрев производится на 30…50 °С выше линии РSК диаграммы Fе-Fе₃С (рис. 15). Он производится, если ис­ходная структура не очень крупнозерниста или не надо изменить расположение ферритной (в доэвтектоидных сталях) или цементитной (в заэвтектоидных сталях) составляющей. При этом происходит лишь частичная перекристаллизация — только перлитной составля­ющей стали.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) заключается в нагреве ста­ли до 1000…1100 °С, длительной выдержке (10…15 часов) при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В результате диффузионного отжига происходит выравнивание неоднородности стали по химическому составу. Благодаря высокой температуре на­грева и продолжительной выдержке получается крупнозернистая струк­тура, которая может быть устранена последующим полным отжигом.

Рекристаллизационный отжиг предназначен для снятия наклепа и внутренних напряжений после холодной деформации и подготов­ки структуры к дальнейшему деформированию. Нагрев необходимо осуществлять выше температуры рекристаллизации, которая для железа составляет 450 °С (см. раздел 2.1.).Обычно для повышения скорости рекристаллизационных процессов применяют значительно более высокие температуры, которые, однако, должны быть ниже линии РSК диаграммы Fе-Fе₃С. Поэтому температура нагрева для рекристаллизационного отжига составляет 650…700 °С. В результате рекристаллизационного отжига образуется однородная мелкозерни­стая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью.

Низкий отжиг применяется в тех случаях, когда структура стали удовлетворительна и необходимо только снять внутренние напряже­ния, возникающие при кристаллизации или после механической обработки. В этом случае сталь нагревают значительно ниже линии РSК диаграммы Fе-Fе₃С (200…600 °С).

Отжиг на зернистый перлит (сфероидизацию) применяют для сталей близких к эвтектоидному составу или для заэвтектоидных. Такой отжиг осуществляют маятниковым способом (температуру несколько раз изменяют вблизи линии РSК, то перегревая выше нее на 30…50 °С, то охлаждая ниже на 30…50°С) или путем длительной выдержки (5-6 часов) при температуре несколько выше линии РSК и последующего медленного охлаждения. После такого отжига це­ментит, обычно присутствующий в структуре в виде пластин, приоб­ретает зернистую форму. Сталь со структурой зернистого перлита обладает большей пластичностью, меньшей твердостью и прочнос­тью по сравнению с пластинчатым перлитом. Отжиг на зернистый перлит применяется для подготовки сталей к закалке или для улуч­шения их обрабатываемости резанием.

Нормализация состоит из нагрева стали на 30…50 °С выше линии GSE диаграммы Fе-Fе₃С (рис. 15), выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на воздухе. Более быстрое охлаждение по сравнению с обычным отжигом приводит к более мелкозернис­той структуре. Нормализация — более дешевая термическая опера­ция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и вы­держки. Для низкоуглеродистых сталей (до 0,3% С) разница в свойствах между нормализованным и отожженным состоянием прак­тически отсутствует и эти стали лучше подвергать нормализации. При большем содержании углерода нормализованная сталь обладает большей твердостью и меньшей вязкостью, чем отожженная. Иногда нормализацию считают самостоятельной разновидностью термичес­кой обработки, а не видом отжига.
4.2. Закалка и отпуск стали
Превращения в стали при охлаждении. При медленном охлаж­дении стали образуются структуры, соответствующие диаграмме Fе-Fе₃C. Вначале происходит выделение феррита (в доэвтектоидных сталях) или вторичного цементита (в заэвтектоидных сталях), а затем происходит превращение аустенита в перлит. Это превращение заключается в распаде аустенита на феррит, почти не содержащий углерода и цементит, содержащий 6,67 % С. Поэтому превращение сопровождается диффузией, перераспределением углерода. Диффузи­онные процессы происходят в течение некоторого времени, причем скорость диффузии резко падает с понижением температуры. Обычно изучают изотермическое превращение аустенита (проис­ходящее при выдержке при постоянной температуре) для эвтектоидной стали. Влияние температуры на скорость и характер превращения пред­ставляют в виде диаграммы изотермического превращения аустенита (рис. 16).

Диаграмма строится в координатах температура — логарифм времени. Выше температуры 72 °С на диаграмме находится область устойчивою аустенита. Ниже этой температуры аустенит является неустойчивым и превращается в другие структуры. Первая С - образ­ная кривая на диаграмме соответствует началу превращения аустени­та, а вторая — его завершению. При небольшом переохлаждении — приблизительно до 550 °С происходит упомянутое выше диффузион­ное перлитное превращение.



В зависимости от степени переохлаж­дения образуются структуры, называемые перлит, сорбит и трос­тит. Это структуры одного типа — механические смеси феррита и цементита, имеющие пластинчатое строение. Отличаются они лишь степенью дисперсности, т. е. толщиной пластинок феррита и цемен­тита. Наиболее крупнодисперсная структура — перлит, наиболее мелкодисперсная — тростит. При переохлаждении аустенита при­близительно ниже 240 °С скорость диффузии падает почти до нуля и происходит бездиффузионное мартенситное превращение. Образу­ется мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в α - железе. Мартенсит имеет ту же концентрацию углерода, что и ис­ходный аустенит. Из-за высокой пересыщенности углеродом решетка мартенсита сильно искажается, благодаря чему мартенсит имеет высокую твердость (до НRС 65). Горизонтальная линия М_н диаграм­мы соответствует началу .превращения аустенита в мартенсит, а ли­ния М_к — завершению этого процесса.

В диапазоне температур от мартенситного до перлитного пре­вращения происходит промежуточное превращение и образуется структура, называемая бейнит.

Закалка — это вид термической обработки, состоящий в нагре­ве стали до определенной температуры, выдержке и последующем быстром охлаждении. В результате закалки повышается твердость и прочность, но снижается вязкость и пластичность. Нагрев стали производится на 30…50 °С выше линии GSK диаграммы Fе-Fе₃С. В доэвтектоидных сталях нагрев выше линии GS необходим для того, чтобы после закалки в структуре не было мягких ферритных включений. Для заэвтектоидных сталей применяется нагрев выше линии SК, так как присутствие цементита не снижает твердость стали.

Обычно в результате закалки образуется мартенситная структура. Поэтому охлаждать сталь следует с такой скоростью, чтобы кривая охлаждения не пересекала С- образные кривые диаграммы изотер­мического превращения аустенита (рис. 16). Для достижения высо­кой скорости охлаждения закаливаемые детали погружают в воду (для углеродистых сталей) или минеральные масла (для легирован­ных сталей).

Способность стали закаливаться на мартенсит называется зака­ливаемостью. Она характеризуется значением твердости, приобре­таемой сталью после закалки и зависит от содержания углерода. Стали с низким содержанием углерода (до 0,3 %) практически не закаливаются и закалка для них не применяется.

Прокаливаемостью называется глубина проникновения закален­ной зоны. Отсутствие сквозной прокаливаемости объясняется тем, что при охлаждении сердцевина остывает медленнее, чем поверхность. Прокаливаемость характеризует критический диаметр D_кр, т. е. максимальный диаметр детали цилиндрического сечения, кото­рая прокаливается насквозь в данном охладителе.

Отпуск стали — это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определенной темпера­туры (ниже линии РSК), выдержке и охлаждении. Цель отпуска — получение более равновесной по сравнению с мартенситом структу­ры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластич­ности. Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск проводится при температуре 150…200 °С. В ре­зультате снимаются внутренние напряжения, происходит некоторое увеличение пластичности и вязкости без заметного снижения твер­дости. Образуется структура мартенсит отпуска. Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также детали, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

При среднем отпуске производится нагрев до 350…450 °С. При этом происходит некоторое снижение твердости при значительном увеличении предела упругости и улучшении сопротивляемости дей­ствию ударных нагрузок. Структура стали представляет собой трос­тит отпуска, который имеет зернистое, а не пластинчатое строение. Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск проводится при 550…650 °С. В результате твер­дость и прочность снижаются значительно, но сильно возрастают вязкость и пластичность и получается оптимальное для конструкци­онных сталей сочетание механических свойств. Структура стали — сорбит отпуска с зернистым строением цементита. Применяется для деталей, подвергающихся действию высоких нагрузок. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она является основным видом обработки конструкци­онных сталей.