2.1. Основы материаловедения. Учебнометодический комплекс тема Основы материаловедения Материаловедение
 Скачать 1.6 Mb.
|
1 %), что повышает способность к графитизации.Материалы и их классификация 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 электросопротивления; 3)хорошей отражательной способностью; металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском; 4)повышенной способностью к пластической деформации. Классификация материалов включает в себя три основных разновидности материалов: металлические материалы, неметаллические материалы, композиционные материалы. Металлические материалы Металлические материалы принято классифицировать по основному компоненту. По ряду признаков их разбивают на группы: 1.Чёрные металлы: 1)железистые (железо, никель); 2)тугоплавкие (с температурой плавления > 1539°); 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 металлами 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 материалы порошковой металлургии. 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 твёрдостью, 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 резанием ухудшаются, но 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 кремнийвводят 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. Фосфоррастворяется в феррите, сильно искажает кристаллическую 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 содержание фосфора в стали ограничивается величиной 0,045 %. Сератакже является вредной примесью. Она нерастворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который образует с железом легкоплавкую эвтектику. Эвтектика располагается по границам зёрен и делает сталь хрупкой при высоких температурах. Это явление называется красноломкостью. Количество серы в стали ограничивается 0,05 %. Водород, азот и кислородсодержатся 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, 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 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. Легированные стали Легированной называют сталь, содержащую специально введённые 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 мартенсита при закалке в масле, что уменьшает опасность появления трещин и коробления деталей. С помощью легирования можно придать стали различные специальные свойства (коррозионную стойкость, жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, магнитные и электрические свойства). Стали обыкновенного качества могут быть только углеродистыми, т.е. легированные стали, как минимум, являются качественными. Маркируются легированные стали с помощью цифр и букв, указывающих примерный химический состав стали. Первые цифры в марке показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Далее показывается содержание легирующих элементов. Каждый 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 буквы, указывают примерное содержание данного легирующего элемента в процентах. При содержании элемента менее 1 % цифра отсутствует. Например, сталь 12Х18Н10Т содержит приблизительно 0,12 % углерода, 18 % хрома, 10 % никеля, менее 1 % титана. Для некоторых групп сталей применяют другую маркировку, которая будет указана при рассмотрении этих сталей. 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 сталисодержат малые количества углерода (0,1…0,3 %). Это объясняется тем, что детали строительных конструкций обычно соединяются сваркой. Низкое содержание углерода обеспечивает хорошую свариваемость. В качестве строительных используются углеродистые стали Ст2 иСт3, имеющие предел текучести σ0,2=240 МПа. В низколегированных строительных сталях при содержании около 1,5 % Мn и 0,7 % Si предел текучести увеличивается до 360 МПа. К этим сталям относятся 14Г2, 17ГС, 14ХГС. Дополнительное легирование небольшими количествами ванадия и ниобия (до 0,1 %) повышает предел текучести до 450 МПа за счёт уменьшения величины зерна. К сталям такого типа относятся 14Г2АФ, 17Г2АФБ. Приведённые стали применяют для строительных конструкций, армирования железобетона, магистральных нефтепроводов и газопроводов. Цементуемые сталисодержат 0,1…0,3 % углерода. Они подвергаются цементации, закалке и низкому отпуску. После этой обработки твёрдость поверхности составляет HRC 60, а сердцевины HRC – 15…40. Упрочнение сердцевины в этих сталях тем сильнее, чем больше 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 ферритоперлитную структуру. Эти стали имеют высокую износостойкость, но малую прочность (σв= 400…500 МПа). Поэтому они применяются для малоответственных деталей небольших размеров. К сталям со слабо упрочняемой сердцевиной относятся низколегированные стали 15Х, 15ХР, 20ХН и др. Сердцевина имеет структуру бейнит. Эти стали имеют повышенную прочность (σв = 750…850 МПа). К сталям с сильно упрочняемой сердцевиной относятся стали 20ХГР, 18ХГТ, ЗОХГТ, 12ХНЗ, 18Х2Н4В и др. Серцевина имеет мартенситную структуру. Стали этой группы имеют высокую прочность (σв = 1200…1600 МПа) и применяются для крупных деталей, испытывающих значительные нагрузки. Улучшаемые сталисодержат 0,3…0,5 % углерода и небольшое количество легирующих элементов (до 3…5 %). Эти стали подвергаются улучшению, состоящему из закалки в масле и высокого отпуска. После термообработки имеют структуру сорбита. Механические свойства разных марок улучшаемой стали в случае сквозной прокаливаемости близки (σв = 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 прокаливаемости улучшаемые стали могут быть условно разбиты на пять групп. В первую труппу входят углеродистые стали 35, 40, 45. Эти стали подвергаются нормализации вместо улучшения. Ко второй группе относятся стали, легированные хромом 30Х, 40Х. Третью группу составляют хромистые стали, дополнительно легированные 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 высокие требования к прочности стали (σв = 1500…2500 МПа). Этим требованиям 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 легированные 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, представляющего собой отпуск, производимый при температуре 450…500 °С. В результате такой термообработки сталь Н18К9М5Т имеет предел прочности σв = 2000 МПа. Кроме упомянутой выше стали, нашли применение стали Н12К8М3Г2, МЮХ11М2Т, Н12К8М4Г2 и др. Мартенситностареющие стали применяют в авиационной промышленности, в ракетной технике, судостроении и т.д. Они обладают хорошей свариваемостью и обрабатываемостью. Эти стали являются достаточно дорогостоящими. Износостойкие сталиспособны сопротивляться процессу изнашивания. Изнашивание – это процесс постепенного разрушения поверхностных слоёв трущихся деталей, который приводит к уменьшению их размеров (износу). Износостойкие стали можно разделить на три группы. В первую группу входят стали, износостойкость которых достигается 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 которых изготавливаются шарики и ролики подшипников качения. Содержание 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 ( |