2015-04-20
517
1. Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами
Прочность — способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности материала является также удельная прочность — отношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности сг (временное сопротивление) - этоусловное напряжение в МПа, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца: a,j-Pmilx/F0, где Ртах - наибольшая нагрузка, H;F0 -начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м2. Истинное сопротивление разрыву Sk - это напряжение, определяемое отношение нагрузки Рк в момент разрыва к 16 площади минимального поперечного Ьечения образца после разрыва Fk(Sk=Pk/Fk).
Предел текучести (физический) ат — это наименьшее напряжение (в МПа), при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки: oT=PT/F0, где Рт — нагрузка, при которой в диаграмме растяжения наблюдается площадка текучести, Н.
Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют предел текучести (условный), при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от расчетной длины образца
2. Отжиг. Это процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры. В зависимости оттого, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига 1 - диффузионный; 2 - полный; 3 - изотермический; 4 - неполный; 5 - сферридизирующий; 6 -рекристаллизационный.
Диффузионный отжиг (гомогенизирующий) применяют для уменьшения химической неоднородности стальных слитков и фасонных отливок.
Полный отжиг применяют для доэвтектоидной стали в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений.
Неполный отжиг обеспечивается при нагреве изделий из заэвтектоидной стали выше температуры Ас, на 30-50°С, выдержке и последующем медленном охлаждении.
Изотермический отжиг отличается от других видов отжига тем, что распад аустенита на ферритно-цементитную смесь происходит при постоянной температуре. При других видах отжига такой распад происходит в период охлаждения в условиях непрерывного снижения температуры.
Сфероидизирующий отжиг обеспечивает превращение пластинчатого перлита в зернистый, сфероидизированный. Это улучшает обрабатываемость сталей резанием
Рекристаллизационныи отжиг применяют для снятия наклепа, вызванного пластической деформацией металла при холодной прокатке, волочении или штамповке. Наклепом называют упрочнение металла, появляющееся в результате холодной пластической деформации металла.
3.Магнитные стали и сплавы.Ферромагнетизмом (способностьювзначительной степени сгущать магнитные силовые линии) обладают железо, кобальт и никель. Эта способность характеризуется магнитной проницаемостью.У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость достигает десятков и сотен тысяч единиц, для других ма-
териалов она близка к единице. Магнитные стали и сплавы в зависимости от коэрцитивной силы ЙШ14-нитной проницаемости делят на магнитно-твердые и магнитн61мягкие.
Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов. Они имеют большую коэрцитивную силу. Это высокоуглеродистые и легированные стали, специальные сплавы. Углеродистые стали (УЮ-У12) после закалки имеют достаточную коэрцитивную силу (Нс=5175 А/м), но, так как они прокаливаются на небольшую глубину, их применяют для изготовления небольших магнитов. Хромистыестали по сравнению с углеродистыми прокаливаются значительно глубже, поэтому из них изготовляют более крупные магниты.например, марки ЕХ5К5
Магнитно-мягкие стали и сплавы. Магнитно-мягкие стали и сплавы имеют малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницаемость. К ним относят электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои).
Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) содержит менее 0,04% С, имеет высокую магнитную проницаемость
Электротехническая сталь содержит менее 0,05% С и кремний, сильно увеличивающий магнитную проницаемость.
Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45-80% Ni, их дополнительно легируют Сг, Si, Mo. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая
Ферриты — магнитно-мягкие материалы, получаемые спеканием смеси порошков ферромагнитной окиси железа Fe203 и окислов двухвалентных металлов (ZnO, NiO, MgOnAp.). В отличие от других магнитно-мягких материалов у ферритов очень высокое удельное электросопротивление, что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот.
Б-10
1. Типы кристаллических решеток у различных металлов различны. Наиболее часто встречаются решетки: объемно-центрированная кубическая (ОЦК) –а-фа-Fe,Cr, W, гранецентированная кубическая (ГЦК) — y-Fe,Аl,Сu и Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) — Mg, Zn и др. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, называют элементарной кристаллической ячейкой. Кристаллическая решетка характеризуется ее параметрами, например длиной ребра куба для ОЦК и ГЦК, которая составляет для металлов 2,8-6 • 10~8 см.
3. Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры на 30-50°С выше верхних критических точек Ас3 и А,п, затем выдерживают при этой температуре и охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией.При нормализации уменьшаются внутренние напряжения, происходит перекристаллизация стали, измельчающая крупнозернистую структуру металла сварных швов, отливок или поковок.
Нормализация стали по сравнению с отжигом является более коротким процессом термической обработки, а следовательно, и более производительным. Поэтому углеродистые и низколегированные стали подвергают, как правило, не отжигу, а нормализации.
С повышением содержания углерода в стали увеличивается различие в свойствах между отожженной и нормализованной сталью. Для сталей, содержащих до 0,2% углерода, предпочтительнее нормализация. Для сталей, содержащих 0,3-0,4% углерода, при нормализации по сравнению с отжигом существенно увеличивается твердость, что необходимо учитывать. Поэтому нормализация не всегда может заменить отжиг.
Сплавы после нормализации приобретают мелкозернистую структуру и несколько большую прочность и твердость, чем при отжиге. Нормализацию применяют для исправления крупнозернистой структуры, улучшения обрабатываемости стали резанием, улучшения структуры перед закалкой. Взаэвтектоидной стали нормализация устраняет сетку вторичного цементита.
Б-11
1. Аллотропия металлов. Аллотропией, или полиморфизмом, называютспособ-ность металла в твердом состоянии иметь различные кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристалл ической решетки. Аллотропические превращения имеют многие металлы: железо, олово, титан и др. Например, железо в интервале температур 911 г-1392°С имеет гр^нецен-трированную кубическую решетку (ГКЦ) y-Fe В интервалах до 911°С и от 1392 до 1539°С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) — oc-Fe. Аллотропические формы металла обозначаются буквами а, (3, у и т. д. Существующая при самой низкой температуре аллотропическая форма металла обозначается через букву а, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д.
При аллотропических превращениях происходит изменение свойств металлов — изменение объема металлов (особенно характерно для олова) и растворимости углерода (характерно для железа).
2. Закалка заключается в нагреве доэвтектоидных сталей выше критической линии, на 30— 50° С, а эвтектоидной и заэвтектоидных сталей выше на 50—70* С, выдержке при данной температуре и последующем охлаждении со скоростью больше критической, обеспечивающей превращение переохлажденного аустенита в мартенсит.Целью закалки является получение предельной твердости стали.
Полная закалка заключается в нагреве стали до температуры, обеспечивающей получение структуры однородного аустенита, выдержке при данной температуре и последующем охлаждении со скоростью больше критической. Полная закалка применяется только для доэвтектоидных и эвтектоидной сталей.
Неполная закалка заэвтектоидных сталей заключается в нагреве выше критической точки АсЬ на 50—70° С, выдержке при данной температуре и последующем охлаждении со скоростью больше критической.
Закалка в одном охладителе В качестве охлаждающей среды в этом случае применяются различные жидкости: вода, водные растворы солей, кислот, и масло.
Ступенчатая закалка Изделие, нагретое как обычно при закалке, быстро переносят в изотермическую ванну, температура- которой несколько выше (на 50:—100° С) где и выдерживают некоторое время. После изотермической выдержки изделие охлаждают в масле или на воздухе до комнатных температур.
При изотермическом отжиге изделия нагревают как и для обычного отжига и сравнительно быстро охлаждают до температуры, лежащей «иже критической точки Ас/ (на 50—100° С), и при данной температуре выдерживают до полного распада аустенита на перлит.
3. Стали классифицируют по химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления и структуре.
Классификация по химическому составу. По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Сталь, свойства которой в основном зависят от содержания углерода---углеродистой низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).
Легированной называют сталь, в состав которой входят низколегированную, среднелегированную (от 2,5 до 10%) и высоколегиров
Классификация по назначению.
Конструкционные стали Инструментальные Стали специального назначения
Классификация по качеству.). Основными показателями для разделения сталей по качеству являются нормы содержания вредных примесей (серы, фосфора). Стали обыкновенного качества содержал до 0,06% S и 0,07% Р, качественные - до 0,035% S и 0,035% Р, высококачественные-hq более 0,025% S и 0,025% Р, а особо высококачественные — не более 0,015% S и 0,025% Р.
Классификация про степени раскисления. Стали по степени раскисления классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскислением называют процесс удаления кислорода из жидкой стали.
Классификация по структуре. до-,эвтектоидные,за-,ледебуритные, аустенитные, ферритные.перлитный, мартенситный
Б-12
1. Дефекты в кристаллах. В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного расположения атомов кристаллической решетки. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные. отдельные атомы обладают энергией значительно большей средней энергии и перемещаются из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансие. к точечным дефектам относят также атом, внедренный в междоузлие кристаллической решетки. Линейные дефекты являются другим важнейшим видом несовершенства кристаллической решетки, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней.
Край экстра-плоскости, перпендикулярный направлению сдвига, называется краевой или линейной дислокацие. Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кристаллами.
2. Закаливаемость - это способность стали приобретать максимально высокую твердость после закалки. Закаливаемость зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Это объясняется тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число атомов углерода, удерживаемых в кристаллической решетке железа при закалке, т.е. увеличивается степень пересыщения твердого раствора углерода в железе.
Углеродистые стали с содержанием углерода менее 0,3% (сталь 20, СтЗ) неспособны принимать закалку, так как не происходит образование мар-тенситной структуры. Образование мартенситной структуры связано с перестройкой кристаллической решетки железа из гранецентрированной в объемно-центрированную. Температура, при которой происходит такая перестройка, зависит от содержания углерода (см. рис. 33). Чем больше содержание углерода, тем ниже температура образования мартенситной структуры.
При выборе охлаждающей среды для того или иного способа закалки необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали.
Прокаливаемость -это глубина проникновения закаленной зоны, т.е. способность стали закаливаться на определенную глубину. За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будет примерно одинаковое количество мартенсита и троостита. Прокаливаемость зависит от химического состава стали, размеров деталей и условий охлаждения. С увеличением содержания углерода до 0,8% прокаливаемость стали увеличивается. При дальнейшем увеличении углерода прокаливаемость несколько снижается. Увеличению прокаливаемости также способствует укрупнение зерен аустенита при нагреве под закалку. Нерастворимые частицы, неоднородность аустенита и другие факторы, которые уменьшают устойчивость переохлажденного аустенита, уменьшают прокаливаемость. Все легирующие элементы, за исключением кобальта, увеличивают прокаливаемость. При комплексном легировании полезное влияние отдельных элементов на прокаливаемость взаимно усиливается.
3. Влияние легирующих элементов. Легирующие элементы ввoдяt в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% по объему. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель - элементы с решеткой, отличающейся от решетки a-Fe. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее.
Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). При содержании до 1% марганец и хром повышают ударную •вязкость. Свыше этого содержания ударная вязкость снижается, достигая уровня нелегированного феррита при 3% Сг и 1,5% Мп.
Увеличение содержания углерода в стали усиливает влияние карбидной фазы, дисперсность которой зависит от термической обработки и состава сплава. В значительной степени повышению конструктивной прочности при легировании стали способствует увеличение прокаливаемости. Наилучший результат по улучшению прокаливаемости стали достигают при ее легировании несколькими элементами, например Сг + Mo, Сг + Ni, Сг + Ni + Mo и другими сочетаниями различных элементов.
Высокая конструктивная прочность стали обеспечивается рациональным содержанием в ней легирующих элементов. Избыточное легирование (за исключением никеля) после Достижения необходимой прокаливаемости приводит к снижению вязкости и облегчает хрупкое разрушение стали.
Хром оказывает благоприятное вдияние на механические свойства конструкционной стали. Его вводят в сталь в количестве до 2%; он растворяется в феррите и цементите.
Никель - наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в сталь в количестве от 1 до 5%.
Марганец вводят в сталь до 1,5%. Он распределяется между ферритом и цементитом. Марганец заметно повышает предел текучести стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна одновременно с марганцем в сталь вводят карбидообразую-щие элементы.
Кремний является не карбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2%. Он значительно повышает предел текучести стали и при содержании более 1% снижает вязкость и повышает порог хладноломкости.
Молибден и вольфрам являются карбидообразующим и элементами, которые большей частью растворяются в цементите. Молибден в количестве 0,2-0,4% и вольфрам в количестве 0,8-1,2% в комплексно-легированных сталях способствуют измельчению зерна, увеличивают прокали-ваемость и улучшают некоторые другие свойства стали.
Ванадий и титан - сильные карбидообразующие элементы, которые вводят в небольшом количестве (до 0,3% V и 0,1% Ti) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна. Повышенное содержание ванадия, молибдена и вольфрама в конструкционных сталях недопустимо из-за образования специальных трудно растворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому разрушению и снижают прокаливаемость стали.
Бор вводят для увеличения прокаливаемости в очень небольших количествах (0,002-0,005%).
Б-13
1. Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами
Прочность — способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности материала является также удельная прочность — отношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности сг (временное сопротивление) - этоусловное напряжение в МПа, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца: a,j-Pmilx/F0, где Ртах - наибольшая нагрузка, H;F0 -начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м2. Истинное сопротивление разрыву Sk - это напряжение, определяемое отношение нагрузки Рк в момент разрыва к 16 площади минимального поперечного Ьечения образца после разрыва Fk(Sk=Pk/Fk).
Предел текучести (физический) ат — это наименьшее напряжение (в МПа), при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки: oT=PT/F0, где Рт — нагрузка, при которой в диаграмме растяжения наблюдается площадка текучести, Н.
Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют предел текучести (условный), при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от расчетной длины образца.
2. Термомеханическая обработка стали (ТМО) - метод упрочнения стали при сохранении достаточной пластичности, совмещающий пластическую деформацию и упрочняющую термическую обработку (закалку и отпуск). При ТМО деформации подвергают сталь в аустенитном состоянии, а при последующем быстром охлаждении формирование структуры закаленной стали (мартенсита) происходит в условиях наклепа аустенита, в связи с чем и повышаются механические свойства стали. Пластическое деформирование при ТМО возможно прокаткой, ковкой, штамповкой и другими способами обработки металлов давлением. Различают два способа термомеханической обработки-высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) При ВТМО сталь нагревают выше точки Ас3,пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 20-30%)и закаливают.При НТМО сталь нагревают выше точкиАс3,охлаждают до температуры относительной устойчивости аустенита,нониже температуры рекристаллизации,пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 75-95%) и закаливают. В обоих случаях после закалки следует низкий отпуск. ВТМО можно подвергать любые стали, а НТМО - только стали с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита (легированные стали).
По сравнению с обычной закалкой после ТМО механические свойства получаются более высокими. Наибольшее упрочнение достигается после НТМО (ав=2800-3300 МПа, 8=6%), после обычной закалки и низкого отпуска предел прочности ов не превышает 2000-2200 М Па и 5^-34%.
При термомеханической обработке стали повышение прочности объясняется тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен. При последующей закалке из такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, что положительно сказывается на пластических свойствах и вязкости стали.
3. Влияние легирующих элементов. Легирующие элементы ввoдяt в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% по объему. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель - элементы с решеткой, отличающейся от решетки a-Fe. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее.
Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). При содержании до 1% марганец и хром повышают ударную •вязкость. Свыше этого содержания ударная вязкость снижается, достигая уровня нелегированного феррита при 3% Сг и 1,5% Мп.
Увеличение содержания углерода в стали усиливает влияние карбидной фазы, дисперсность которой зависит от термической обработки и состава сплава. В значительной степени повышению конструктивной прочности при легировании стали способствует увеличение прокаливаемости. Наилучший результат по улучшению прокаливаемости стали достигают при ее легировании несколькими элементами, например Сг + Mo, Сг + Ni, Сг + Ni + Mo и другими сочетаниями различных элементов.
Высокая конструктивная прочность стали обеспечивается рациональным содержанием в ней легирующих элементов. Избыточное легирование (за исключением никеля) после Достижения необходимой прокаливаемости приводит к снижению вязкости и облегчает хрупкое разрушение стали.
Хром оказывает благоприятное вдияние на механические свойства конструкционной стали. Его вводят в сталь в количестве до 2%; он растворяется в феррите и цементите.
Никель - наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в сталь в количестве от 1 до 5%.
Марганец вводят в сталь до 1,5%. Он распределяется между ферритом и цементитом. Марганец заметно повышает предел текучести стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна одновременно с марганцем в сталь вводят карбидообразую-щие элементы.
Кремний является не карбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2%. Он значительно повышает предел текучести стали и при содержании более 1% снижает вязкость и повышает порог хладноломкости.
Молибден и вольфрам являются карбидообразующим и элементами, которые большей частью растворяются в цементите. Молибден в количестве 0,2-0,4% и вольфрам в количестве 0,8-1,2% в комплексно-легированных сталях способствуют измельчению зерна, увеличивают прокали-ваемость и улучшают некоторые другие свойства стали.
Ванадий и титан - сильные карбидообразующие элементы, которые вводят в небольшом количестве (до 0,3% V и 0,1% Ti) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна. Повышенное содержание ванадия, молибдена и вольфрама в конструкционных сталях недопустимо из-за образования специальных трудно растворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому разрушению и снижают прокаливаемость стали.
Бор вводят для увеличения прокаливаемости в очень небольших количествах (0,002-0,005%).
Б-15
1. В основе теории термической обработки лежат фазовые и структурные превращения, протекающие при нагреве и ох1 лаждении металлов и сплавов. Эти превращения характеризуются определенными критическими точками. При медленном нагреве от комнатной температуры до 727°С в сплаве I фазовых изменений не происходит (рис. 26). При температуре 727°С перлит превращается в аустенит (точка а). Точку а на диаграмме называют нижней критической точкой и обозначают Ас, (при охлаждении - Аг,). Буквы сиг указывают на то, что превращение происходит соответственно при нагреве или охлаждении стали, а индекс единица внизу этих букв — наточки, образующие линию PSK. При дальнейшем нагреве сплава I зерна феррита растворяются в аустените.
Растворение феррита заканчивается в точке а, (линия GS), которую называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве Ас3, охлаждении Аг3.
Если нагревать эвтектоидный сплав II, то перлит в точке S (линия PSK) при 727°С превращается в аустенит. Критические точки Ас, и Ас3 при этом совпадают. Перлит сплава III при 727°С превращается в аустенит (точка Ь). Дальнейший нагрев сплава III вызывает растворение цементита (вторичного) в аустените. В точке Ь,, лежащей на линии SE, процесс растворения заканчивается. Эту точку обозначают Аст.
2.Магнитные стали и сплавы.Ферромагнетизмом (способностьювзначительной степени сгущать магнитные силовые линии) обладают железо, кобальт и никель. Эта способность характеризуется магнитной проницаемостью.У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость достигает десятков и сотен тысяч единиц, для других ма-
териалов она близка к единице. Магнитные стали и сплавы в зависимости от коэрцитивной силы ЙШ14-нитной проницаемости делят на магнитно-твердые и магнитн61мягкие.
Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов. Они имеют большую коэрцитивную силу. Это высокоуглеродистые и легированные стали, специальные сплавы. Углеродистые стали (УЮ-У12) после закалки имеют достаточную коэрцитивную силу (Нс=5175 А/м), но, так как они прокаливаются на небольшую глубину, их применяют для изготовления небольших магнитов. Хромистыестали по сравнению с углеродистыми прокаливаются значительно глубже, поэтому из них изготовляют более крупные магниты.например, марки ЕХ5К5
Магнитно-мягкие стали и сплавы. Магнитно-мягкие стали и сплавы имеют малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницаемость. К ним относят электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои).
Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) содержит менее 0,04% С, имеет высокую магнитную проницаемость
Электротехническая сталь содержит менее 0,05% С и кремний, сильно увеличивающий магнитную проницаемость.
Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45-80% Ni, их дополнительно легируют Сг, Si, Mo. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая
Ферриты — магнитно-мягкие материалы, получаемые спеканием смеси порошков ферромагнитной окиси железа Fe203 и окислов двухвалентных металлов (ZnO, NiO, MgOnAp.). В отличие от других магнитно-мягких материалов у ферритов очень высокое удельное электросопротивление, что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот.
3. Клеи. Они предназначены для создания из различных материалов неразъемных соединений требуемой прочности. Вобщем виде такие соединения состоят из склеиваемых материалов и клеевого слоя между ними. Процесс склеивания основан на сцеплении клея с поверхностью материалов. Способ склеивания упрощает и ускоряет технологический процесс изготовления изделий. Важным свойством клеевых соединений на основе синтетических клеев является их атмосферостойкость, способность противостоять коррозионным воздействиям и гниению. К числу преимуществ клеевых соединений можнотакже отнести: исключение изготовления отверстий под болты или заклепки, ослабляющие скрепляемые элементы; более равномерное распределение напряжений в соединениях; ровная поверхность клеевых деталей; относительно низкая стоимость производства клееных деталей при массовом производстве. В то же время клеи не свободны от недостатков. Клеевые соединения обладают низкой прочностью при неравномерном отрыве; большинство клеев имеет также относительно низкую теплостойкость (до 350°С) вследствие органической природы основных компонентов клея.
Б-14
1. Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называют кристаллизацией. Процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, поэтому кривые охлаждения строятся в координатах температура - время Теоретический, т.е. идеальный, процесс кристаллизации металла без переохлаждения протекает при температуре Ts При достижении идеальной температуры затвердевания Ts падение температуры прекращается. Это объясняется тем, что перегруппировка атомов при формировании кристаллической решетки идет с выделением тепла (выделяется скрытая теплота кристаллизации). Каждый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной температуре. По окончании затвердевания металлатем-пература его снова понижается.
Практически кристаллизация протекает при более низкой температуре, т.е. при переохлаждении металла до температур Тп, Тп,, Тп2 (например, кривые 1, 2). Степень переохлаждения (AT-Ts—Тп) зависит от природы и чистоты металла и скорости охлаждения. Чем чище жидкий металл, тем он более склонен к переохлаждению. При увеличении скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, а зерна металла становятся мельче, что улучшает его качество. Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных условиях составляет от 10 до 30°С. При больших скоростях охлаждения она может достигать сотен градусов.
Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождения кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава ниже Тп на многих участках жидкого металла образуются способные к росту кристаллические зародыши. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму. Затем при со-прикосновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост кристалла продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами.
Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно металла.
Величина зерен, образующихся при кристаллизации, зависит не только от количества самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле. Такие нерастворимые примеси являются готовыми центрами кристаллизации. Ими являются оксиды (например, А1203), нитриды, сульфиды и другие соединения. Центрами кристаллизации в данном металле или сплаве могут быть только такие твердые частицы, которые соизмеримы с размерами атомов основного металла. Кристаллическая решетка таких твердых частиц должна быть близка по своему строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Чем больше таких частичек, тем мельче будут зерна закристаллизовавшегося металла.
На образование центров кристаллизации влияет и скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кристаллизации и, следовательно, мельче зерно металла. Чтобы получить мелкое зерно, создают искусственн ые центры кристалл иза-ции. Для этого в расплавленный металл (расплав) вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Так, при модифицировании магниевых сплавов зерно уменьшается от 0,2-0,3 до0,01-0,02мм,т.е. в 15-20 раз. Модифицирование отливок проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, оксиды). При модифицировании, например, стали применяют алюминий, титан, ванадий; алюминиевых сплавов — марганец, титан, ванадий.
Иногда в качестве модификаторов применяют поверхностно-активные вещества. Они растворяются в жидком металле. Эти модификаторы осаждаются на поверхности растущих кристаллов, образуя оченьтонкий слой. Этот слой препятствует дальнейшему росту кристаллов, придавая металлу мелкозернистое строение.
2. Химико-термическая обработка - это процесс химического и термического воздействия на поверхностный слой стали с целью изменения состава, структуры и свойств. Химико-термическая обработка повыша-еттвердость поверхности стали, ее износостойкость, коррозионную стойкость, кислотоустойчивось и другие свойства.
Наиболее распространенными видами химико-термической обработки является цементация, цианирование, борирование, алитирование и др.
Цементация - процесс химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цементация придает поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повышает предел выносливости при изгибе и кручении. мароки 10, 15, 20, А12, А20, СтЗ, 15Х, 25ХГМ и др. Азотирование - процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя азотом для придания этому слою высокой твердости, износостойкости или устойчивости против коррозии.
Цианирование - процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя одновременно азотом и углеродом в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NaCN.
Борирование - процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя бором при нагревании в бор-содержащей среде (бура, треххлористый бор и др.).
. Борирование проводят при температуре 850-950°С в течение 2-6 ч. Для борирования можно использовать низко- и среднеуглеродистые стали (20, 40, 45, 40Х, 30ХГС и др.).
Алитирование — это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали, содержащей 0,1 -0,2% С, алюминием. Толщина агитированного слоя 0,2—1 мм, а концентрация алюминия в поверхностном слое до 30%. Алитирование применяют для повышения жаростойкости углеродистых сталей. Алитируютчехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высокой температуре.
Хромирование - это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя хромом. Хромирование повышает окалиностойкость и износостойкость деталей в агрессивных средах. Хромируют детали паровых турбин, насосов для перекачки агрессивных сред и т.п.
3. Влияние легирующих элементов. Легирующие элементы ввoдяt в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% по объему. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель - элементы с решеткой, отличающейся от решетки a-Fe. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее.
Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). При содержании до 1% марганец и хром повышают ударную •вязкость. Свыше этого содержания ударная вязкость снижается, достигая уровня нелегированного феррита при 3% Сг и 1,5% Мп.
Увеличение содержания углерода в стали усиливает влияние карбидной фазы, дисперсность которой зависит от термической обработки и состава сплава. В значительной степени повышению конструктивной прочности при легировании стали способствует увеличение прокаливаемости. Наилучший результат по улучшению прокаливаемости стали достигают при ее легировании несколькими элементами, например Сг + Mo, Сг + Ni, Сг + Ni + Mo и другими сочетаниями различных элементов.
Высокая конструктивная прочность стали обеспечивается рациональным содержанием в ней легирующих элементов. Избыточное легирование (за исключением никеля) после Достижения необходимой прокаливаемости приводит к снижению вязкости и облегчает хрупкое разрушение стали.
Хром оказывает благоприятное вдияние на механические свойства конструкционной стали. Его вводят в сталь в количестве до 2%; он растворяется в феррите и цементите.
Никель - наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в сталь в количестве от 1 до 5%.
Марганец вводят в сталь до 1,5%. Он распределяется между ферритом и цементитом. Марганец заметно повышает предел текучести стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна одновременно с марганцем в сталь вводят карбидообразую-щие элементы.
Кремний является не карбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2%. Он значительно повышает предел текучести стали и при содержании более 1% снижает вязкость и повышает порог хладноломкости.
Молибден и вольфрам являются карбидообразующим и элементами, которые большей частью растворяются в цементите. Молибден в количестве 0,2-0,4% и вольфрам в количестве 0,8-1,2% в комплексно-легированных сталях способствуют измельчению зерна, увеличивают прокали-ваемость и улучшают некоторые другие свойства стали.
Ванадий и титан - сильные карбидообразующие элементы, которые вводят в небольшом количестве (до 0,3% V и 0,1% Ti) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна. Повышенное содержание ванадия, молибдена и вольфрама в конструкционных сталях недопустимо из-за образования специальных трудно растворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому разрушению и снижают прокаливаемость стали.
Бор вводят для увеличения прокаливаемости в очень небольших количествах (0,002-0,005%).
Б-16
1. Дефекты отливок. Дефекты в отливках обусловлены неправильной конструкцией отливок, нарушением технологии литья или ошибками при ее разработке. К основным дефектам относят раковины, трещины, дефекты поверхности и несоответствие конфигурации и размеров требованиям чертежа.
Раковины образуются из-за повышенной влажности и плохой газопроницаемости формовочной смеси, очень плотной набивки форм, низкой температуры заливаемого металла, быстрой заполняемости форм и др.
Трещины обусловлены повышенным содержанием серы и фосфора в расплаве, его перегревом и заливкой с большой скоростью, а также неправильной конструкцией литейной формы и несоблюдением режимов термической обработки и др.
Дефекты поверхности образуются из-за пригара слоя формовочного материала к поверхности отливки и образования спая (немонолитного слияния потоков металла). Причинами образования дефектов на поверхности могут быть недостаточная огнеупорность формовочных и стержневых смесей, заливка металлов при низкой температуре, медленная заливка, плохая конструкция литниковой системы и др.
Особым видом брака чугунного литья является отбеливание поверхности отливки, что вызывает повышение твердости и ухудшение обрабатываемости поверхности. Причинами отбеливания являются быстрое охлаждение отливки и несоответствие состава чугуна. Дефекты в отливках исправляют газовой или дуговой сваркой, пайкой, металлизацией и другими способами.
2. Химико-термическая обработка - это процесс химического и термического воздействия на поверхностный слой стали с целью изменения состава, структуры и свойств. Химико-термическая обработка повыша-еттвердость поверхности стали, ее износостойкость, коррозионную стойкость, кислотоустойчивось и другие свойства.
Наиболее распространенными видами химико-термической обработки является цементация, цианирование, борирование, алитирование и др.
Цементация - процесс химико-термической обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цементация придает поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повышает предел выносливости при изгибе и кручении. мароки 10, 15, 20, А12, А20, СтЗ, 15Х, 25ХГМ и др. Азотирование - процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя азотом для придания этому слою высокой твердости, износостойкости или устойчивости против коррозии.
Цианирование - процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя одновременно азотом и углеродом в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий NaCN.
Борирование - процесс химико-термической обработки, заключающийся в насыщении поверхностного слоя бором при нагревании в бор-содержащей среде (бура, треххлористый бор и др.).
. Борирование проводят при температуре 850-950°С в течение 2-6 ч. Для борирования можно использовать низко- и среднеуглеродистые стали (20, 40, 45, 40Х, 30ХГС и др.).
Алитирование — это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали, содержащей 0,1 -0,2% С, алюминием. Толщина агитированного слоя 0,2—1 мм, а концентрация алюминия в поверхностном слое до 30%. Алитирование применяют для повышения жаростойкости углеродистых сталей. Алитируютчехлы термопар, детали разливочных ковшей, клапаны и другие детали, работающие при высокой температуре.
Хромирование - это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя хромом. Хромирование повышает окалиностойкость и износостойкость деталей в агрессивных средах. Хромируют детали паровых турбин, насосов для перекачки агрессивных сред и т.п.
3. Шарикоподшипниковые стали (U1X6, ШХ9, ШХ15) применяют для изготовления шариков и роликов подшипников. По химическому составу и структуре эти стали относятся к классу инструментальных сталей. Они содержат около 1% С и 0,6-1,5% Сг. Для деталей размером до 10 мм применяют сталь ШХ6 (1,05-1,15% С и 0,4-0,7% Сг), а для деталей размером более 18 мм - сталь ШХ15 (0,95-1,05% С и 1,3-1,65% Сг). Термическая обработка шарикоподшипниковых сталей с небольшим содержанием хрома заключается в закалке и низком отпуске (до 200°С), в результате чего обеспечивается твердость HRC 60—66. В основе теории термической обработки лежат фазовые и структурные превращения, протекающие при нагреве и ох1 лаждении металлов и сплавов. Эти превращения характеризуются определенными критическими точками. При медленном нагреве от комнатной температуры до 727°С в сплаве I фазовых изменений не происходит (рис. 26). При температуре 727°С перлит превращается в аустенит (точка а). Точку а на диаграмме называют нижней критической точкой и обозначают Ас, (при охлаждении - Аг,). Буквы сиг указывают на то, что превращение происходит соответственно при нагреве или охлаждении стали, а индекс единица внизу этих букв — наточки, образующие линию PSK. При дальнейшем нагреве сплава I зерна феррита растворяются в аустените.
Растворение феррита заканчивается в точке а, (линия GS), которую называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве Ас3, охлаждении Аг3.
Если нагревать эвтектоидный сплав II, то перлит в точке S (линия PSK) при 727°С превращается в аустенит. Критические точки Ас, и Ас3 при этом совпадают. Перлит сплава III при 727°С превращается в аустенит (точка Ь). Дальнейший нагрев сплава III вызывает растворение цементита (вторичного) в аустените. В точке Ь,, лежащей на линии SE, процесс растворения заканчивается. Эту точку обозначают Аст
Б-17
1. Металлическим сплавом называют сложное вещество, полученное сплавлением (или спеканием) нескольких металлов или металлов с неметаллами. Компонентами называют вещества, образующие систему. Чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов — двухкомпо-нентную систему и т.д. Компонентами могут быть металлы и неметаллы
Фазой называют однородную часть системы, имеющую одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяются скачкообразно. Совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (давлении, температуре), называют системой.
Под структурой сплава понимают видимое в микроскоп взаимное расположение фаз, их форму и размеры.
Компоненты в сплавах могут составлять {рис. 13) жидкие и твердые растворы, химические соединения и механические смеси.
Однородные жидкие растворы (рис. 13, а) характерны почти для всех металлов, растворяющихся друг в друге в жидком состоянии в любых соотношениях.
Твердые растворы образуются в результате перехода в твердое состояние однородных жидких растворов. В твердом растворе одно из веществ, входящих в состав сплава, сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а другое в виде отдельных атомов распределяется в кристаллической решетке первого вещества. Химические соединения образуются при сплавлении различных металлов или металла с неметаллом. Химическое соединение - однородное кристаллическое тело, имеет кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, которая отлична от решеток элементов, образующих это соединение.
Механическая смесь двух компонентов А и В образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.
2. Инструментальные стали предназначены для изготовления следующих основных групп инструмента: режущего, измерительного и штампов.
Углеродистые инструментальные стали. Инструментальные углеродистые стали выпускают следующих марок: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13. Цифры указывают на содержание углерода в десятых долях процента. Буква Г после цифры означает, что сталь имеет повышенное содержание марганца. Марка инструментальной углеродистой стали высокого качества имеет букву А, например У12А: инструментальная углеродистая сталь высокого качества, содержащая 1,2% С.
Инструменты, применение которых связано с ударной нагрузкой, например зубила, бородки, молотки, изготовляют из сталей У7А, У8А. Инструменты, требующие большей твердости, но не подвергающиеся ударам, например сверла, метчики, развертки, шаберы, напильники, - из сталей У12А, У13А. Стали У7-У9 подвергают полной, а стали У10-У13 неполной закалке.
Недостатком углеродистых инструментальных сталей является их низкая теплостойкость - способность сохранять бол ьшуютвердость при высоких температурных нагревах. При нагреве выше 200°С инструмент из углеродистой стал и теряет твердость. В основе теории термической обработки лежат фазовые и структурные превращения, протекающие при нагреве и ох1 лаждении металлов и сплавов. Эти превращения характеризуются определенными критическими точками. При медленном нагреве от комнатной температуры до 727°С в сплаве I фазовых изменений не происходит (рис. 26). При температуре 727°С перлит превращается в аустенит (точка а). Точку а на диаграмме называют нижней критической точкой и обозначают Ас, (при охлаждении - Аг,). Буквы сиг указывают на то, что превращение происходит соответственно при нагреве или охлаждении стали, а индекс единица внизу этих букв — наточки, образующие линию PSK. При дальнейшем нагреве сплава I зерна феррита растворяются в аустените.
Растворение феррита заканчивается в точке а, (линия GS), которую называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве Ас3, охлаждении Аг3.
Если нагревать эвтектоидный сплав II, то перлит в точке S (линия PSK) при 727°С превращается в аустенит. Критические точки Ас, и Ас3 при этом совпадают. Перлит сплава III при 727°С превращается в аустенит (точка Ь). Дальнейший нагрев сплава III вызывает растворение цементита (вторичного) в аустените. В точке Ь,, лежащей на линии SE, процесс растворения заканчивается. Эту точку обозначают Аст
3. Литейные алюминиевые сплавы. предназначены для изготовления фасонных отливок. Например, алюминий с кремнием (АЛ2, АЛ4, АЛ9) или алюминий с магнием (АЛ8, АЛ 13, АЛ22 и др.).Алюминиевые литейные сплавы маркируют буквами АЛ и цифрой, указывающей условный номер сплава. Сплавы на основе алюминия и кремния называют силуминами. Силумины обладают высокими механическими и литейными свойствами: высокой жидкотекучестью,лебрлУ-шой усадкой, достаточно высокой прочностью и удовлетворительной пластичностью. Сплавы на основе алюминия и магния имеют высокую удельную прочность, хорошо обрабатываются резанием и имеют высокую коррозионную стойкость.Свойства алюминиевых литейных сплавов существенно зависят от способа дитья и вида термической обработки. Важное значение при литье имеет скорость охлаждения затвердевающей отливки и скорость охлаждения ее при закалке. В общем случае увеличение скорости отвода тепла вызывает повышение прочностных свойств.
Б-18
1.. Основными компонентами, от которых зависит структура и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод.
В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие.
Феррит (Ф)— твердый раствор внедрения углерода в се-железе.
Аустенит (А) - твердый рщ;вор внедрения углерода в у-железе.
Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C).
Графит - это свободней углерод, мягок и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, шаровидной и др.). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.
Перлит (П) — механическая смесь феррита и цементита, Ледебурит (Л) — механическая смесь (эвтектика) аустенита и Ц-тита,
Диаграмма показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14 до 6,67% - чугуном.
Первичная кристаллизация, линии ликвидусаАСД.
Вторичная кристаллизация линиям GSE^PSK GPQ
Линия солидуса AEСF соответствует температурам конца затвердевания. Диаграмма состояния железо — цементит имеет большое практичеб-кое значение. Ее применяют для определения тепловых режимов термической обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штамповка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для определения температуры плавления, что необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы.
2. Серые чугуны — это литейный чугун. Серый чугун поступает в производство в виде отливок. Серый чугун является дешевым конструкционным материалом. Он обладает хорош им и литейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает способностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных нагрузках. СЧ 10,СЧ 15.Серый чугун получают при добавлении в расплавленный металл веществ, способствующих распаду цементита и выделению углерода в виде графита. Для серого чугуна графитизатором является кремний.
Ковкий чугун - условное название более пластичного чугуна по сравнению с серым. Ковкий чугун никогда не куют. Отливки из ковкого чугуна получают длительным отжигом отливок из белого чугуна с перл итнс-цементитной структурой.
В зависимости от структуры металлической основы различают ковкий ферритный чугун и ковкий перлитный чугун. Ферритные ковкие чугуны получают из белых чугунов, выплавленных дуплекс-процессом и содержащих 2,4-2,8% С; 0,8-1,4% Si; 0,3-0,4% Мп; 0,08-0,1% S; <0,2% Р.
Перлитные ковкие чугуны получают из белых чугунов, выплавленных о преимущественно в вагранках. химический состав: 2,8—3,4% С; 0,5-0,8% Si; 0,4-0,5% Мп; 0,2% Р Ас, и 0,12% S. Ковкий чугун широко применяют в автомобильном, сельскохозяйственном и текстильном машиностроении. Из него изготовляют детали высокой прочности, способные воспринимать повторно-переменныеи ударные нагрузки и работающие в условиях повышенного износа,
3. Магнитные стали и сплавы.Ферромагнетизмом (способностьювзначительной степени сгущать магнитные силовые линии) обладают железо, кобальт и никель. Эта способность характеризуется магнитной проницаемостью.У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость достигает десятков и сотен тысяч единиц, для других ма-
териалов она близка к единице. Магнитные стали и сплавы в зависимости от коэрцитивной силы ЙШ14-нитной проницаемости делят на магнитно-твердые и магнитн61мягкие.
Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов. Они имеют большую коэрцитивную силу. Это высокоуглеродистые и легированные стали, специальные сплавы. Углеродистые стали (УЮ-У12) после закалки имеют достаточную коэрцитивную силу (Нс=5175 А/м), но, так как они прокаливаются на небольшую глубину, их применяют для изготовления небольших магнитов. Хромистыестали по сравнению с углеродистыми прокаливаются значительно глубже, поэтому из них изготовляют более крупные магниты.например, марки ЕХ5К5
Магнитно-мягкие стали и сплавы. Магнитно-мягкие стали и сплавы имеют малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницаемость. К ним относят электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои).
Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) содержит менее 0,04% С, имеет высокую магнитную проницаемость
Электротехническая сталь содержит менее 0,05% С и кремний, сильно увеличивающий магнитную проницаемость.
Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45-80% Ni, их дополнительно легируют Сг, Si, Mo. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая
Ферриты — магнитно-мягкие материалы, получаемые спеканием смеси порошков ферромагнитной окиси железа Fe203 и окислов двухвалентных металлов (ZnO, NiO, MgOnAp.). В отличие от других магнитно-мягких материалов у ферритов очень высокое удельное электросопротивление, что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот.
Б-19
1. Основными компонентами, от которых зависит структура и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод.
В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие.
Феррит (Ф)— твердый раствор внедрения углерода в се-железе.
Аустенит (А) - твердый рщ;вор внедрения углерода в у-железе.
Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C).
Графит - это свободней углерод, мягок и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, шаровидной и др.). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.
Перлит (П) — механическая смесь феррита и цементита, Ледебурит (Л) — механическая смесь (эвтектика) аустенита и Ц-тита,
Диаграмма показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14 до 6,67% - чугуном.
Первичная кристаллизация, линии ликвидусаАСД.
Вторичная кристаллизация линиям GSE^PSK GPQ
Линия солидуса AEСF соответствует температурам конца затвердевания. Диаграмма состояния железо — цементит имеет большое практичеб-кое значение. Ее применяют для определения тепловых режимов термической обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штамповка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для определения температуры плавления, что необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы. В основе теории термической обработки лежат фазовые и структурные превращения, протекающие при нагреве и ох1 лаждении металлов и сплавов. Эти превращения характеризуются определенными критическими точками. При медленном нагреве от комнатной температуры до 727°С в сплаве I фазовых изменений не происходит. При температуре 727°С перлит превращается в аустенит (точка а). Точку а на диаграмме называют нижней критической точкой и обозначают Ас, (при охлаждении - Аг,). Буквы сиг указывают на то, что превращение происходит соответственно при нагреве или охлаждении стали, а индекс единица внизу этих букв — наточки, образующие линию PSK. При дальнейшем нагреве сплава I зерна феррита растворяются в аустените.
Растворение феррита заканчивается в точке а, (линия GS), которую называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве Ас3, охлаждении Аг3.
Если нагревать эвтектоидный сплав II, то перлит в точке S (линия PSK) при 727°С превращается в аустенит. Критические точки Ас, и Ас3 при этом совпадают. Перлит сплава III при 727°С превращается в аустенит (точка Ь). Дальнейший нагрев сплава III вызывает растворение цементита (вторичного) в аустените. В точке Ь,, лежащей на линии SE, процесс растворения заканчивается. Эту точку обозначают Аст
2. стали углеродистые специального назначения. К этой группе относятста-ли с хорошей и повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные стали). Они предназначены в основном для изготовления деталей массового производства. Лри обработке таких сталей на станках-автоматах образуется короткая и мелкая стружка, снижается расход режущего инструмента и уменьшается шероховатость обработанных поверхностей.
Автоматные стали с повышенным содержанием серы и фосфора имеют хорошую обрабатываемость. Обрабатываемость резанием улучшают также введением в стали технологических добавок селена, свинца, теллура.
Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Применяют следующие марки автоматной стали: А12, А20, АЗО, А40Г. Из стали А12 изготовляют неответственные детали, из стали других марок - более ответственные детали, работающие при значительных напряжениях и повышенных давлениях. Сортамент автоматной стали предусматривает изготовление сортового проката в виде прутков круглого, квадратного и шестигранного сечений. Эти стали не применяют для изготовления сварных конструкций.
3. Отжиг. Это процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры. В зависимости оттого, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига 1 - диффузионный; 2 - полный; 3 - изотермический; 4 - неполный; 5 - сферридизирующий; 6 -рекристаллизационный.
Диффузионный отжиг (гомогенизирующий) применяют для уменьшения химической неоднородности стальных слитков и фасонных отливок.
Полный отжиг применяют для доэвтектоидной стали в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений.
Неполный отжиг обеспечивается при нагреве изделий из заэвтектоидной стали выше температуры Ас, на 30-50°С, выдержке и последующем медленном охлаждении.
Изотермический отжиг отличается от других видов отжига тем, что распад аустенита на ферритно-цементитную смесь происходит при постоянной температуре. При других видах отжига такой распад происходит в период охлаждения в условиях непрерывного снижения температуры.
Сфероидизирующий отжиг обеспечивает превращение пластинчатого перлита в зернистый, сфероидизированный. Это улучшает обрабатываемость сталей резанием
Рекристаллизационныи отжиг применяют для снятия наклепа, вызванного пластической деформацией металла при холодной прокатке, волочении или штамповке. Наклепом называют упрочнение металла, появляющееся в результате холодной пластической деформации металла.
б-20
1. Методы изучения строения металлов. Изучение строения металлов и сплавов производится методами макро- и микроанализа, рентгеновского, а также дефектоскопии (рентгеновской, магнитной, ультразвуковой).
Методом макроанализа изучается макроструктура, т.е. структура, видимая невооруженным глазом или с помощью лупы, при этом выявляются крупные дефекты:трещины» усадочные раковины, газовые пузыри и т. д., а также неравномерность распределения примесей в металле
Макрошлиф - это образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована, тщательно обезжирена, протравлена и рассматривается с помощью лупы с увеличением в 5—10х.
Микроанализ выявляет структуру металла или сплава по микрошлифам, приготовленным так же, как и для макроанализа, но дополнительно отполированным до зеркального блеска.
В электронном микроскопе рассматривают реплику — слепок с особо тонкой структуры металла при увеличениях до 100 000х. Этот важнейший анализ определяет размеры и форму зерен, структурные составляющие, неметаллические включения и их характер — трещины, пористость и т. д., качество термической обработки. С помощью рентгеновского анализа изучают атомную структуру металлов, типы и параметры кристаллических решеток, а также дефекты, лежащие в глубине.
Магнитным методом испытуемое изделие на намагничивают, покрывают его поверхность порошком железа; осматривают его поверхность и размагничивают изделие. Вокруг дефекта образуется неоднородное поле, вследствие чего магнитный порошок повторяет очертания дефекта. Другой метод — магнитный индукционный — часто используют для оценки полноты структурных превращений в сплавах (изделиях) после их термической обработки.
2. Инструментальные стали предназначены для изготовления следующих основных групп инструмента: режущего, измерительного и штампов.
Углеродистые инструментальные стали. Инструментальные углеродистые стали выпускают следующих марок: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13. Цифры указывают на содержание углерода в десятых долях процента. Буква Г после цифры означает, что сталь имеет повышенное содержание марганца. Марка инструментальной углеродистой стали высокого качества имеет букву А, например У12А: инструментальная углеродистая сталь высокого качества, содержащая 1,2% С.
Инструменты, применение которых связано с ударной нагрузкой, например зубила, бородки, молотки, изготовляют из сталей У7А, У8А. Инструменты, требующие большей твердости, но не подвергающиеся ударам, например сверла, метчики, развертки, шаберы, напильники, - из сталей У12А, У13А. Стали У7-У9 подвергают полной, а стали У10-У13 неполной закалке.
Недостатком углеродистых инструментальных сталей является их низкая теплостойкость - способность сохранять бол ьшуютвердость при высоких температурных нагревах. При нагреве выше 200°С инструмент из углеродистой стал и теряет твердость.
Закаливаемость - это способность стали приобретать максимально высокую твердость после закалки. Закаливаемость зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Это объясняется тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число атомов углерода, удерживаемых в кристаллической решетке железа при закалке, т.е. увеличивается степень пересыщения твердого раствора углерода в железе.
Углеродистые стали с содержанием углерода менее 0,3% (сталь 20, СтЗ) неспособны принимать закалку, так как не происходит образование мар-тенситной структуры. Образование мартенситной структуры связано с перестройкой кристаллической решетки железа из гранецентрированной в объемно-центрированную. Температура, при которой происходит такая перестройка, зависит от содержания углерода (см. рис. 33). Чем больше содержание углерода, тем ниже температура образования мартенситной структуры.
При выборе охлаждающей среды для того или иного способа закалки необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали.
3. Термопласты получают на основе полимеров, молекулы которых связаны слабыми межмолекулярными силами. Наличие таких межмолекулярных связей позволяет полимеру много раз размягчаться при нагревании и твердеть при охлаждении, не теряя свои первоначальные свойства. Ктермопластам относят полиэтилен, капрон, полиамиды, поливинилхлорид, винипласты, органическое стекло и др. Полиэтилен. Он обладает рядом ценных свойств: влаго- и газонепроницаем, не набухает в воде, эластичен в широком интервале температур, устойчив к действию кислот и щелочей, обладает очень хорошими диэлектрическими свойствами.
Поливинилхлорид. Пластифицированный поливинилхлорид называют пластикатом, непластифицированный твердый листовой материал — винипластом. Пластмассы на основе поливинилхлорида обладают хорошими диэлектрическими и механическими свойствами. Однако они имеют невысокую термостойкость: до 60°С. Поливинилхлорид не стоек к действию ароматических и хлорированных углеводородов и концентрированной азотной кислоты.Полиамиды. Они отличаются сравнительно высокой прочностью и низким коэффициентом трения. Наибольшее распространение из полиамидов получил капрон как относительно дешевый и наименее дефицитный материал. Его износостойкость в несколько раз выше, чем стали, чугуна и некоторых цветных
