Материаловедение. Учебник для студентов высших учебных заведений Арзамасов В. Б., Волчков А. Н
 Скачать 4.56 Mb.
|
|
ГЛАВА 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ Механические свойства материалов определяют их поведение под воздействием приложенных внешних нагрузок. К ним относятся: Прочность – сопротивление материала деформации и разрушению. Упругость – свойство материала восстанавливать первоначальную форму после снятия нагрузки. Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Хрупкость - свойство материала разрушаться без заметного поглощения механической энергии в необратимой форме. Вязкость - свойство материала, не разрушаясь, поглощать в заметных количествах механическую энергию в необратимой форме. Изнашиваемость - свойство материала подвергаться поверхностному разрушению или повреждению под воздействием внешнего трения. Износостойкость – сопротивление материалов деталей машин и других трущихся изделий износу. Выносливость - свойство материала выдержать, не разрушаясь, большое число повторно- переменных напряжений. Постепенное разрушение материала при большом числе повторно- переменных напряжений называется усталость. Ползучесть – способность материала медленно и непрерывно деформироваться при постоянном напряжении и повышенной температуре. Количественные (числовые) характеристики прочностных параметров определяются стандартными испытаниями. Различают испытания: статические на растяжение, сжатие, изгиб, кручение; динамические на ударную вязкость; на усталость при цикловых нагрузках; технологические. 2.1. Статические испытания Статические испытания осуществляются при медленном возрастании нагрузок. Основным видом испытаний является испытание на растяжение (ГОСТ 1497-84*) позволяющее определить прочность материала и его склонность к упругим и пластическим деформациям. При испытаниях, на 44 специальных разрывных машинах растягивают стандартный образец. При этом замеряют силу сопротивления созданной деформации ( рис. 2.1). Рис. 2.1. Диаграмма растяжения металлов: OP – участок упругой деформации; Е – точка удлинения образца на 0,05%; S 1 , S 2 – площадка текучести; В – наибольшая нагрузка на образец; К – разрушение образца; Fпц – наибольшее усилие упругой деформации; Fy – усилие предела упругости; Fmax – усилие предшествующее разрушению образца; Fразр – усилие истинного сопротивления разрушению. По полученному графику определяют напряжения при различных параметрах деформирования образца: σ = F/A o , где: F – усилие в Н; A o – начальная площадь поперечного сечения образца в м 2 или в мм 2 . В технической литературе используется размерность МПа – 1Н/мм 2 = 1 МПа. Этими параметрами являются: Предел пропорциональности σ пц – напряжение, при котором зависимость «нагрузка-удлинение» перестает быть пропорциональной. Участок ОР показывает предел упругой деформации материала, т.е. деформации, после снятия которой, образец возвращается в первоначальное положение. σ пц = F пц / A o Предел упругости σ 0,05 - напряжение, при котором остаточное удлинение образца достигает 0,05% его расчетной длины (l o ). σ 0,05 = F у / A o Предел текучести σ т – наименьшее напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% l o . σ т = F т / A o точка «Р» показывает начало пластических деформаций образца. Временное 45 сопротивление σ в – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке F max , предшествующей разрушению образца. Истинное сопротивление разрыву – напряжение, определяемое отношением нагрузки F разр к фактической площади поперечного сечения образца в месте разрыва. Относительное удлинение (в %) после разрыва «∂» - отношение приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине. 2.2. Испытания на твердость Испытание на твердость. Вследствие его простоты и производительности, это наиболее распространенный метод испытаний. При этих испытаниях, в поверхность образца (детали или заготовки) внедряют стандартные наконечники из недеформируемых материалов (методы Бринелля, Роквелла, Виккерса). Сущность метода Бринелля заключается во вдавливании в образец стального закаленного шарика в образец ( рис. 2.2, а). Рис. 2.2. Схемы определения твердости образца методами: а – Бриннеля; б – Роквелла; в – Виккерса; Fо – предварительная нагрузка; F 1 – основная нагрузка; D – диаметр шарика; d – диаметр или длина диагонали отпечатка; h о – глубина предварительного вдавливания наконечника; h – глубина вдавливания шарика или наконечника. По диаметру полученного отпечатка определяют твердость образца. Диаметр шарика – 2,5; 5; 10 мм. Нагружение – ступенчатое: предварительная нагрузка – F 0 = 980Н; основная нагрузка: F 1 = 2943Н (стальной или чугунный образец); 9800Н (образец из алюминия, меди, никеля и их сплавов); 2450Н (образцы из 46 мягких сплавов). Твердость по Бринеллю определяется по формуле: , 2 2 2 d D D D F НВ где: d – диаметр отпечатка. Твердость по Бринеллю обозначается: соответствующим числом (НВ200); или диаметром отпечатка (чем меньше диаметр, тем больше твердость). Между числом твердости и временным сопротивлением существуют следующие зависимости: для стали - σ в = 0,34 НВ; для медных сплавов - σ в = 0,45 НВ; для алюминиевых сплавов - σ в = 0,35 НВ. Не рекомендуется применять метод Бринелля для сталей с твердостью более НВ450 и для цветных сплавов с твердостью более НВ200. Сущность метода Роквелла ( рис. 2.2, б) заключается во вдавливании в образец алмазного наконечника с углом при вершине 120 о (шкала «А» или «С») или стального шарика диаметром 1,5875 мм (шкала «В») в образец. По глубине вдавливания h определяют твердость. Нагружение – ступенчатое: предварительная нагрузка F о – 98Н; основная нагрузка F 1 зависит от применяемой шкалы («А» – 588 Н; «В» – 980 Н; «С» – 1470Н). Твердость определяется: шкал « А и С» HRA(HRC) = 100 – (h - h o )/0,002; шкала «В» HRВ = 130 – (h - h o )/0,002. Шкала «А» используется для испытания твердых сплавов, твердого тонкого листового материала. Предельные числа твердости HRA 70…85. Шкала «C» используется для испытания сплавов, прошедших термическую обработку. Предельные числа твердости HRC 20…67. Шкала «В» используется для испытания металлов средней твердости. Предельные числа твердости HRВ 20…100. Для испытаний листовых материалов, тонких деталей используется метод супер-Роквелла. В отличие от Роквелла, данный метод использует малые нагрузки. F о = 29,4 Н; F 1 =(147; 294; 441 Н). Шкала «N» – алмазный наконечник. Шкала «Т» – стальной шарик. Твердость определяется: шкала «N» 47 HRN = 100 – (h - h o )/0,001; шкала «Т» HRТ = 130 – (h - h o )/0,001. Обозначение: 75 HRN 147 (твердость 75 единиц, шкала N, нагрузка 147Н). Сущность метода Виккерса ( рис. 2.2, в) заключается во вдавливании в образец правильной четырехгранной алмазной пирамидки с квадратным основанием и углом между противоположными гранями 136 о . Под действием статической нагрузки (49…980Н) за 10…60с пирамидка внедряется в образец. Твердость определяют по величине диагонали отпечатка (d). HV=1,8544F/d 2 . Метод позволяет определить как самые высокие твердости (при нагрузке 980 Н), так и самые низкие твердости (при нагрузке 49 Н). 2.3. Динамические испытания Динамические испытания проводятся при скоростях деформирования больших, чем при статических испытаниях. Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность материала к хрупкому разрушению. Испытания основаны на ударном разрушении образца с концентратором напряжений на маятниковом копре ( рис. 2.3). На основании 6 установлена стойка 2 с качающимся ножом 1. Угол поворота ножа вокруг горизонтальной оси отмечается по шкале 3. Рис. 2.3. Схема маятникового копра: 1 – нож; 2 – стойка; 3 – шкала; 4 – образец; 5 – ручной тормоз; 6 – основание; 7 – опоры. 48 При обратном ходе, нож тормозится ручным тормозом 5. Образец 4 установлен на опорах 7. При прямом ходе, нож разрушает образец, затрачивая часть накопленной потенциальной энергии. Ударная вязкость (КС) - отношение работы разрушения образца (Е) к площади его поперечного сечения (S o ): КС = Е/S o . Стандартные испытания предусматривают применение образцов с тремя видами концентраторов напряжений: пропил с радиусом 1 мм (KCU); пропил с радиусом 0,5 мм (KCV); образец с усталостной трещиной (KCT). Контрольные вопросы 1. Что такое прочность? 2. Что такое предел пропорциональности? 3. Что такое твердость? 4. Как определить твердость сырой стали? 5. Как определить ударную вязкость образца? 49 ГЛАВА 3. ЖЕЛЕЗО И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ Сплавы на основе железа и углерода (стали и чугуны) наиболее широко применяются в технике. Так в современном машиностроении доля деталей из железоуглеродистых сплавов составляет 80% по массе и 60% по номенклатуре. Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе Fe – Fe 3 C (цементит) и стабильная Fe - C (графит), которая получается при нагреве до высоких температур, когда цементит распадается на железо и графит. 3.1. Компоненты и фазы в системе железо-углерод Железо и углерод – элементы полиморфные. Железо – серебристо-белый металл, находится в восьмой группе Периодической таблицы Д.И. Менделеева, его атомный номер 26, атомная масса 55,8, атомный радиус 1,27 10 -10 м (0,127мкм), температура плавления 1539 С. При температуре выше 768 С (точка Кюри) железо теряет свои магнитные свойства. Чистое железо содержит порядка 0,0001% примесей, а техническое 0,1…0,2%. Железо имеет два типа кристаллических решеток: ОЦК и ГЦК. В интервале температур 1539-1392 С железо имеет полиморфную модификацию Fe с ОЦК решеткой, в интервале температур 1392-911 С – модификацию Fe с решеткой ГЦК, а ниже 911 С – модификацию Fe с решеткой ОЦК. На кривой охлаждения железа ( рис. 3.1) приняты следующие обозначения: A 3 – точка превращения Fe β ↔ Fe γ ; A 4 – точка превращения Fe γ ↔ Fe α ; А 2 - точка Кюри (изменение магнитных свойств железа). Горизонталь при температуре 1539 С связана с началом кристаллизации Fe , а изотермы при температурах 1392 и 911 С обусловлены полиморфными превращениями железа. Остановка при 768 С указывает на изменение магнитных свойств железа. Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, но при высоких давлениях и 50 температурах его метастабильная модификация (алмаз) становится стабильной. Графит – углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии имеет гексагональную решетку. Графит электропроводен, химически стоек, мягок, малопрочен. Рис. 3.1. Кривая охлаждения железа: A2 – точка Кюри; A3 – точка превращения Feβ ↔ Feγ; A4 – точка превращения Feγ ↔ Feα. Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой: жидкий раствор (Ж), феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита. Феррит ( ) – твердый раствор углерода в Fe . Различают низкотемпературный феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный с предельной растворимостью 0,1%. Аустенит (А ) – твердый раствор внедрения углерода в Fe , предельная растворимость углерода составляет 2,14%. Цементит (Ц, F 3 С) – карбид железа Fe 3 C, содержит 6,67%С. Графит (Гр) – углерод, выделившийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. 3.2. Превращения в сплавах железо – цементит Диаграмма состояния Fe - Fe 3 C ( рис. 3.2) характеризует фазовый состав и структуру сталей и белых чугунов. 51 Рис. 3.2. Диаграмма состояния Fe – Fe 3 C:A…L – характерные точки диаграммы; А – аустенит; Ф – феррит; П – перлит; Л – ледебурит; Ж - жидкость. В системе Fe - Fe 3 C происходят первичная и вторичная кристаллизация. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (АВСD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация происходит в результате превращения железа из одной модификации (Fe ) в другую (Fe ). Растворимость углерода в аустените (Fe ) и в феррите (Fe ) с понижением температуры уменьшается ( линии ES и PQ соответственно ), а избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита, содержащего 6,67% углерода (линия DFKL). Принято обозначать цементит, выделившийся из жидкости по линии СD – первичным (Ц I ), из аустенита по линии ES – вторичным (Ц II ) и из феррита по линии PQ – третичным (Ц III ). В диаграмме железо-цементит происходят три изотермических превращения. Перитектическое превращение происходит при 1499 С (линия HJB): Ф Н Ж А J . Эвтектическое превращение при 1147 (линия ECF): 52 Ж С А Е Ц I - фазы обозначают квадратными скобками. Полученная эвтектическая смесь аустенита, называется ледебуритом ( ). Эвтектоидное превращение при 727 (линия PSK): А S Ф Р Ц II . Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом (П). Ледебурит (4,3% углерода) и перлит (0,8% углерода) являются структурными составляющими и оказывают большое влияние на свойства железоуглеродистых сплавов. Перлит, как правило, имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей. Ниже линии SK аустенит, входящий в состав ледебурита распадается на перлит и цементит, причем цементит представляет собой сплошную матрицу, в которой расположены колонии перлита и это определяет большую твердость ледебурита и повышенную его хрупкость. Наличие ледебурита в структуре сплавов делает невозможным обработку их давлением или резанием. В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы в соответствии с диаграммой Fe - Fe 3 C подразделяют на: стали (меньше 2,14% углерода) и чугуны (свыше 2,14% углерода). 3.3. Превращения сталей в твердом состоянии Основные виды технологических операций (термическая обработка, деформация, резание и другие) проводят в твердом состоянии, поэтому рассмотрим превращения, происходящие в сталях при температурах ниже линии солидус. На рис. 3.3, а представлена часть диаграммы Fe - Fe 3 C для сплавов, не испытывающих эвтектоидного превращения. 53 Рис. 3.3. Часть диаграммы состояния Fe – Fe3C для сплавов, не испытывающих (а) и испытывающих (б) эвтектоидное превращение: I, II, III – сплавы; А - аустенит; Ф – феррит; П – перлит; ЦII – цементит вторичный; ЦIII – цементит третичный. Сплавы с содержанием углерода при комнатной температуре менее 0,0002% (точка Q) имеют однородную структуру феррита, которая получается в результате распада аустенита от температуры точки 1 до температуры точки 2 (сплав I). В интервале концентраций углерода 0,0002 до 0,02% после образования феррита (сплав II, точка 5), из него начинает выделяться третичный цементит и при комнатной температуре образуется двухфазная структура – феррит и третичный цементит. Цементит располагается по границам зерен в виде прослоек, что несколько снижает технологичность этих сплавов. Все сплавы с содержанием углерода до 0,02% называются техническим железом. Сплавы I ( рис. 3.3, б) содержащий менее 0,8% углерода при температурах ниже линии PSK имеют структуру феррита и перлита, и называются доэвтектоидными сталями. Сплав II с содержанием углерода 0,8% при температуре точки «S» испытывает эвтектоидное превращение аустенита в смесь феррита и цементита, образующих структурную составляющую – перлит. Такой сплав называется эвтектоидной сталью. Увеличение содержания углерода свыше 0,8% приводит, при охлаждении в интервале 54 температур, соответствующих точкам 3-4, к выделению цементита вторичного из аустенита. Ниже температур линии PSK структура будет представлять собой смесь перлита, полученного в результате эвтектоидного распада аустенита и вторичного цементита расположенного в виде сетки по границам зерен перлита. Такие сплавы (0,8% углерода 2,14% называются заэвтектоидными сталями. 3.4 Превращения чугунов Сплавы системы Fe - Fe 3 C с содержанием углерода свыше 2,14% называются белыми чугунами ( рис. 3.4). Эти сплавы при температурах линии ECF испытывают эвтектическое превращение с образованием структурной составляющей ледебурит, который представляет собой смесь аустенита и цементита. Рис. 3.4. Часть диаграммы состояния Fe – Fe 3 C для высокоуглеродистых сплавов (чугунов):I, II, III – сплавы; А - аустенит; Ф – феррит; П – перлит; Ц – цементит Ж - жидкость. 55 В зависимости от содержания углерода различают доэвтектические (углерода 4,3%), эвтектические (углерода 4,3%) и заэвтектические (углерода 4,3%) белые чугуны. В доэвтектических белых чугунах (сплав I) кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора аустенита в интервале температур точек 1-2. В точке 2 происходит эвтектическое превращение и при температурах соответствующих точкам 2-3, структура состоит из аустенита и вторичного цементита. На линии PSK происходит эвтектоидный распад аустенита на феррит и цементит (перлит). Конечная структура доэвтектических белых чугунов будет представлять собой ледебурит и цементит вторичный. В эвтектических белых чугунах (углерода 4,3%) кристаллизация начинается при температуре точки «С», с эвтектической реакции и образования смеси аустенита и цементита – ледебурита (сплав II). На линии PSK (точка 4) эвтектический ледебурит меняет свой фазовый состав в результате эвтектоидного превращения и конечная структура будет представлять собой смесь перлита и цементита – ледебурит видоизмененный. В заэвтектических белых чугунах (сплав III) кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов первичного цементита (точки 5-6). На линии ECF происходит эвтектическое превращение, и структура представляет собой смесь ледебурита и цементита первичного. На линии PSK (точка 7) аустенит, входящий в состав ледебурита, испытывает эвтектоидное превращение и образуется перлит, т.е. конечная структура будет состоять из ледебурита состава перлит и цементит) и цементита первичного. В ледебурите доля цементита превышает 50%, поэтому белые чугуны обладают большой твердостью и хрупкостью, что не позволяет применять изделия из них в машиностроении. Введение в чугуны различных графитизирующих добавок (кремния, никеля др.) и изменение технологического процесса (увеличение времени выдержки, уменьшение скорости охлаждения) приводит к распаду ледебурита и образованию 56 свободного углерода – графита, т.е. к получению чугунов с графитом в соответствии с диаграммой состояния железо – графит. 3.5. Чугуны со свободным графитом На рис. 3.5 изображены диаграммы состояния Fe - C (графит) и Fe - Fe 3 C. Обе диаграммы принципиально не отличаются друг от друга, но во всех случаях из сплавов в процессах первичной и вторичной кристаллизаций выпадает не цементит, а графит. Рис. 3.5. Диаграммы состояния Fe - C (графит) и Fe - Fe 3 C: A…L – характерные точки диаграммы; А – аустенит; Ф – феррит; П – перлит; Л – ледебурит; Ж - жидкость. Первичный графит и графит в эвтектике (графитная эвтектика) кристаллизуется путем образования и роста зародышей в виде лепестков, выходящих из одного центра. Вторичный графит и графит эвтектоида (графитный эвтектоид) выделяется на лепестках первичного и эвтектического графита. Легирование и термическая обработка позволяет получать чугуны с различной формой графита, которые широко используются для изготовления изделий в машиностроении. 57 В машиностроении широко применяются чугуны с графитом – серые, высокопрочные и ковкие, которые различаются условиями образования графитных включений и их формой. Углерод в чугунах находится в связанном (в виде цементита) и свободном (в виде графита) состояниях: С общщее С связанное С свободное В зависимости от концентрации связанного углерода в металлооснове различают ферритные (С связанное 0,02%), ферритно-перлитные (0,02% С связанное 0,8%) и перлитные (С связанное 0,8%) чугуны. Количество графита в чугунах зависит от содержания компонентов и скорости охлаждения. Углерод и кремний способствуют графитизации, а марганец, хром и сера ее затрудняют. С уменьшением скорости охлаждения отливки, количество графита увеличиваются, а при увеличении скорости охлаждения возрастает количество связанного углерода. Серый чугун содержит свободный углерод в виде пластинок. Серый чугун обозначается числом, показывающим уменьшенный в 10 раз предел прочности на растяжение, в МПа, например СЧ21 ( в 210 МПа). Ферритный (СЧ10) и ферритно-перлитный (СЧ15) чугуны обладают невысоким пределом прочности на растяжение и применяются для изготовления малоответственных деталей машиностроения. Более прочные перлитные серые чугуны марок СЧ21 – СЧ35 содержат графит в виде мелких равномерно рассеянных пластинок и применяются для изделий, работающих при высоких нагрузках или в условиях повышенного изнашивания. Высокопрочный чугун содержит графит в виде шаровидных включений, полученных путем введения в жидкий чугун специальных добавок – модификаторов (магний, селен или их соединения). Шаровидный графит значительно меньше ослабляет механические свойства металлической основы чем пластинчатый, поэтому чугуны с шаровидным графитом обладают высокой прочностью и некоторой пластичностью. Марка 58 высокопрочного чугуна состоит из букв ВЧ и числа в 10 раз меньшего значения его прочности (ВЧ 100, в =1000 МПа). При модифицировании чугуна магнием и редкоземельными металлами свободный графит приобретает шаровидную (до 40%) и вермикулярную (в виде мелких прожилок) форму - чугун с вермикулярным графитом. Эти чугуны производятся четырех марок: ЧВГ30, ЧВГ35, ЧВГ40, ЧВГ45. по механическим свойствам эти чугуны занимают промежуточное место между серыми и высокопрочными чугунами. Эти чугуны хорошо заменяют серые чугуны в отливках подвергаемых циклическим нагрузкам: блоки цилиндров, поршни, гильзы, изложницы, кокили. Для повышения прочности и получения специальных чугунов (жаростойких, коррозионно-стойких) высокопрочные чугуны легируют (хромом, никелем, титаном, марганцем, алюминием и др.) и в ряде случаев подвергают термической обработке. Ковкий чугун получают длительным отжигом отливок из белого чугуна. Графит в ковких чугунах имеет хлопьевидную форму. По своим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным чугунами. По ГОСТ 1215-79* ковкий чугун обозначается двумя цифрами: пределом прочности на растяжение (МПа/10) и относительным удлинением (в %), например КЧ 35-10 ( в 350 МПа, 10%). Антифрикционные чугуны получают добавлением фосфидной эвтектики в чугуны с графитом. Они маркируются следующим образом: к буквенному обозначению соответствующего чугуна добавляют букву «А», в конце ставят порядковый номер АЧС-1…АЧС-6; АЧВ-1, АЧВ-2, АЧК-1, АЧК-2). Антифрикционные чугуны применяются для изготовления подшипников скольжения, в которых графит выполняет роль мягкой составляющей. В табл. 3.1 приведены механические свойства чугунов с графитом и примеры изготовленных из них деталей. 59 3.6. Влияние углерода и технологических примесей на свойства стали Сталь - многокомпонентный сплав, содержащий углерод и ряд постоянных примесей, влияющих на ее свойства. Наличие этих примесей обусловлено трудностью удаления их из расплава (сера, фосфор), переходом их в сталь в процессе раскисления (марганец, кремний, алюминий) или из шихты (хром, никель). Марганец вводится в сталь для раскисления и остается в ней в количестве 0,3…0,8%. Марганец уменьшает вредное воздействие серы и кислорода. Кремний также вводится в сталь в качестве активного раскислителя и остается в ней в количестве до 0,4%, оказывая упрочняющее действие. Повышение концентрации углерода в стали приводит к увеличению количества цементита, при этом вырастают значения твердости, пределы прочности и текучести, но уменьшаются характеристики пластичности (относительное удлинение и сужение, ударная вязкость и другие). Также с увеличением содержания углерода в стали снижаются показатели электро- теплопроводности, магнитной проницаемости и остаточной индукции. Неметаллические примеси (сера, фосфор, кислород, водород, азот) относятся к вредным примесям. Сера образует с железом химическое соединение FeS, которое при 988 С образует с железом эвтектику по границам зерен. При нагреве стали до 1000…1200 С (температуры горячей деформации) эвтектика расплавляется, и в структуре деформированного металла появляются надрывы и трещины – красноломкость. В зависимости от качества стали содержание серы не должно превышать 0,035…0,06%. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает показатели прочности, но сильно снижает значения пластичности и вязкости. Кроме того, располагаясь по границам зерен, фосфор сильно охрупчивает сталь. Допустимое содержание фосфора в стали не должно превышать 0,025…0,045%. 60 Таблица 3.1 Механические свойства чугунов и области их применения. Марка чугуна в , МПа , % НВ Назначение Серые чугуны СЧ10 100 - 190 Крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов, подшипников редукторов, подшипников насосов, суппорты и т.д. СЧ15 150 - 163-210 СЧ25 250 - 180-245 Блоки цилиндров, картеры двигателей, барабаны сцепления, станины станков, зубчатые колеса и т.д. СЧ35 350 - 220-275 Высокопрочные чугуны ВЧ35 350 22 140-170 Оборудование прокатных станков, ВЧ45 450 10 140-225 К кузнечно-прессовое оборудование. ВЧ60 600 3 192-227 Корпуса паровых турбин, лопатки направляющего аппарата, коленчатые валы, поршни и др. ВЧ80 800 2 248-351 ВЧ100 1000 2 270-360 Ковкие чугуны КЧ30-6 300 6 100-163 Картеры редукторов, ступицы, фланцев, муфты, вилки карданных валов, втулки, муфты, тормозные колодки и т.д. КЧ35-8 350 8 100-163 КЧ37-12 370 12 110-163 КЧ45-7 450 7 150-207 КЧ60-3 600 3 200-269 КЧ80-1,5 800 1,5 270-320 Азот и кислород присутствуют в стали в виде неметаллических включений, в твердом растворе (растворы внедрения) или в свободном виде, располагаясь в дефектных местах металла (раковинах, трещинах). Примеси внедрения (азот, кислород), образуя по границам зерен выделения оксидов и нитридов, повышают порог хладноломкости и снижают ударную вязкость стали. Очень вредным является растворенный в стали водород, который сильно охрупчивает ее. Поглощенный при выплавке водород в ряде случаев приводит к образованию в структуре стали тонких трещин – флокенов, что не позволяет использовать полученный металл в промышленности. Кроме того, все газы в свободном состоянии образуют в слитках множество мелких пустот (пор), что снижает практически все показатели механических свойств. 61 3.7. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей Для придания сталям необходимых свойств в нее специально вводят различные добавки – легирующие элементы, а стали в таком случае называются легированными. Наиболее часто добавляют такие элементы как хром, никель, марганец, кремний, молибден, вольфрам, титан, ниобий, кобальт, алюминий, медь, азот, бериллий и другие. Практически все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуры эвтектической и эвтектоидной реакций и влияют на растворимость углерода в железе. Некоторые легирующие элементы активно взаимодействуют с углеродом, азотом, бором, а также друг с другом и с железом, образуя соответственно карбиды, нитриды, бориды или интерметаллиды (промежуточные фазы). Температуры фазовых превращений в железе и сталях принято обозначать буквой «А» с соответствующим индексом: эвтектоидная температура (линии PSK) – А 1 ; температура магнитного превращенья (линия МО) – А 2 ; температуру линии GS – А 3 ; температуру полиморфного превращения (линия NJ)- А 4 ; температуру линии SE – А m ( рис. 3.2). Вследствие гистерезиса температуры превращений введены дополнительные индексы «r» – при охлаждении, «с» – при нагреве (А r , A c1 , A r3 , A c3 ) Магнитное превращение не имеет гистерезиса. 3.8. .Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения Легирующие элементы, растворяясь в железе, по разному влияют на температурные области существования модификаций Fe и Fe (температуры А 3 и А 4 ). Такие компоненты как кобальт, никель, марганец, углерод, азот понижают температуру А 3 и повышают температуру А 4 , т.е. расширяют температурный интервал устойчивости Fe . В сплавах с концентрацией легирующих элементов превышающих концентрацию, соответствующую точке «В» диаграммы Fe - Fe 3 C ( рис. 3.6, а), модификация Fe c ГЦК решеткой 62 устойчива при температурах 20…25 С и ниже. Такие стали называются аустенитными. К элементам расширяющим температурный интервал устойчивости Fe (повышают температуру А 3 и понижают А 4 ) относятся хром, молибден, вольфрам, кремний, титан и др. ( рис. 3.6, б). Однофазные сплавы с ОЦК решеткой устойчивые при всех температурах вплоть до солидуса, называются ферритными сталями. Рис. 3.6. Диаграмма состояния железо – легирующий элемент: а - с открытой γ – областью; б - с замкнутой γ – областью. 3.9. Влияние легирующих элементов на фазовые превращения сталей Легирующие элементы расширяющие - область (марганец, никель и др.), смещают линии PSK, GS и SE диаграммы Fe - Fe 3 C в сторону более низких температур, а легирующие элементы, расширяющие - область наоборот, смещают эти линии в сторону более высоких температур. На рис. 3.7, а показано влияние легирующих элементов на температуру эвтектоидного превращения при нагреве (линия PSK – А С1 ) диаграммы Fe - Fe 3 C. 63 Большинство легирующих элементов уменьшает растворимость углерода в аустените при всех температурах, т.е. происходит сдвиг линии SE в сторону меньших концентраций углерода и соответственно уменьшается содержание углерода в эвтектоиде ( рис. 3.7, б). Рис. 3.7. Влияние легирующих элементов на температуру Ас1 (а) и на содержание углерода в эвтектоиде (б). 3.10. Карбиды и интерметаллиды в легированных сталях В сталях карбидообразующими являются следующие элементы: железо, марганец, хром, вольфрам, молибден, ниобий, титан, цирконий (элементы перечислены в порядке их карбидообразующей способности). При небольших концентрациях карбидообразующих элементов они замещают атомы железа в решетке цементита состава (Fe,Mе) 3 C, где Ме – легирующий металл. Сильные карбидообразующие элементы – молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан, цирконий могут образовывать самостоятельные карбиды состава МеС или Ме 2 С, которые тугоплавки и практически нерастворимы в аустените. Относительно слабый карбидообразующий марганец самостоятельных карбидов в сталях не образует при любых его концентрациях, он легирует цементит (Fe, Mn) 3 C. Промежуточное положение по карбидообразующей способности занимает хром, который образует карбид Cr 7 C 3 в низко- и среднелегированных сталях (суммарное содержание 64 легирующих элементов меньше 10%) или карбид Cr 23 C 6 в высоколегированных сталях. Таким образом в зависимости от легирующего элемента и его количества в структуре легированных сталей могут присутствовать следующие типы карбидов: хорошо растворимые в аустените карбиды типа Mе 3 C, труднорастворимые карбиды типа Ме 7 С 3 , М 23 С 6 , и почти нерастворимые в твердом состоянии карбиды типа МеС и Ме 2 С. При высоком содержании легирующие элементы могут образовать с железом или друг с другом интерметаллиды, например Fe 7 Mo 6 , Fe 7 W 6 , F 3 Nb 2 , Fe 3 Ti, Fe 3 Cr, Mo и др. 3.11 Структурные классы легированных сталей В условиях равновесия легированные стали по структуре делят на следующие классы: доэвтектоидные стали, содержащие в структуре эвтектоид и легированный феррит, эвтектоидные стали и заэвтектоидные, структура последних состоит из эвтектоида и избыточных карбидов Ме 3 С. Все эти стали объединяют в один класс – перлитные стали. Карбидные стали (ледебуритные) имеют в литом состоянии эвтектику типа ледебурит. Хотя по структуре эти стали больше соответствуют белым чугунам, но относительно небольшое количество углерода (менее 2%) позволяет подвергать их пластической деформации (ковке) и отнести их к сталям ледебуритного класса. При низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента, ограничивающего область существования аустенита структура состоит из легированного феррита с небольшим количеством карбидов – сталь ферритного класса. При высоком содержании легирующего элемента, расширяющего - область можно при нормальной температуре получить чисто аустенитную структуру – стали аустенитного класса. В сталях с частичным превращением Fe Fe можно получить полуферритную или полуаустенитную структуры. 65 Таким образом, основываясь на фазовом равновесии, легированные стали подразделяют на перлитный, ферритный, аустенитный, полуферритный, полуаустенитный и ледебуритный классы. 3.12. Влияние легирования на свойства феррита и аустенита Основой большинства современных сталей является легированный феррит, прочность и твердость которого, как правило, выше, чем у нелегированного. Наиболее сильно повышают прочность и твердость марганец и кремний ( рис. 3.8, а). Чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность. Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в стали выше определенной концентрации (1% хрома, 0,8% кремния, 1,5% марганца и т.д.) снижают значения ударной вязкости ( рис. 3.8, б) и трещиностойкости. Легирующие элементы существенно влияют на температуру перехода феррита в хрупкое состояние (порог хладноломкости). Большинство легирующих элементов, кроме никеля, повышают порог хладноломкости. Никель существенно его снижает ( рис. 3.8, в). Рис. 3.8. Влияние легирующих элементов на твердость феррита (а); на ударную вязкость феррита (б) и на хладноломкость стали (в): Т50 – середина температурного интервала хрупкости (50% хрупкой составляющей в изломе). При высоком содержании в стали никеля или марганца (являющихся основой многих коррозионностойких жаропрочных и немагнитных сталей) аустенит устойчив. Наибольшее упрочнение аустенита наблюдается при легировании 66 его азотом и углеродом, а кобальт практически не влияет на упрочнение. Аустенит легко упрочняется под действием холодной деформации (наклеп), он парамагнитен и имеет высокий коэффициент теплового расширения. Контрольные вопросы 1. Что характеризует диаграмма состояния Fe – Fe 3 C? 2. Какую структуру имеют сплавы с содержанием углерода 0,002…0,02%? 3. Как называются сплавы с содержанием углерода 0,02…0,8%? 4. Что такое серый чугун? 5. Какие детали изготавливают из ковкого чугуна? 6. Что такое «графитная эвтектика»? 7. Как маркируются высокопрочные чугуны? 8. Как влияет углерод на свойства стали? 9. Как влияют легирующие элементы на структуру стали? 10. Какие элементы являются для стали карбидообразующими? 11. Какие структурные классы стали Вы знаете? |