Технология конструкционных материалов

      Технология конструкционных материалов представляет собой комплексную дисциплину, которая содержит основные сведения о способах получения металлических и неметаллических конструкционных материалов, их свойствах и методах обработки при получении заготовок, готовых деталей или изделий различного назначения. Успешное изучение ряда специальных дисциплин, а также дальнейшая деятельность студентов многих специальностей может стать успешной лишь при усвоении этих вопросов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ

1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

      В технике применяют большое число  различных металлов, которые можно разделить на черные и цветные. К первым относят железо и его сплавы, ко вторым — все остальные металлы и их сплавы.

      Черные  металлы представляют собой сложные сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, серой, фосфором и другими элементами. Однако основным элементом, оказывающим главное влияние на свойства этих металлов, является углерод. В зависимости от его содержания сплавы делят на стали и чугуны.

      Сталями называют сплавы железа с углеродом, в которых углерода содержится до 2,14%, а чугунами — свыше 2,14%.

      Цветные металлы подразделяют на тяжелые (медь, свинец, олово, никель и др.), легкие (алюминий, магний и др.), редкие (молибден, вольфрам, ванадий и др.) и благородные (золото, платина, серебро). Цветные металлы обладают многими ценными свойствами, но их мало и они дороги и во всех случаях, когда это допустимо, цветные металлы заменяют черными металлами, пластмассами и синтетическими материалами.

2. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ  СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

      Все тела состоят из атомов. Тела, в которых  атомы расположены беспорядочно, называют аморфными (стекло, воск, смола и др.). Кристаллические тела, к которым относятся все металлы и металлические сплавы, характеризуются упорядоченным расположением атомов. В них атомы находятся в узлах пространственных кристаллических решеток.

      Аморфные  тела изотропны, то есть имеют одинаковые свойства по всем направлениям. Кристаллические тела анизотропны: у них неоднородные свойства в разных геометрических направлениях. В связи с этим физические и механические свойства одного кристалла могут изменяться в зависимости от того, в каком направлении эти свойства определяют.

      Металлические изделия, состоящие из огромного  числа кристаллов, представляют собой  поликристаллические тела. Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что свойства оказываются практически одинаковыми во всех направлениях.

      В процессе кристаллизации металлов и  сплавов могут образовываться кристаллические решетки разного типа. Наиболее распространенными являются объемно-центрированная кубическая, гранецентрированная кубическая и гексагональная решетки (рис. 1).

^{а                                   б                                     в}

^{Рис.1. Расположение атомов в кристаллических решетках:}

а - объемно-центрированная кубическая; б - гранецентрированная кубическая; в - гексагональная

      Решетку объемно-центрированного куба имеют  многие металлы, например Cr, Fe, Pb, W; гранецентрированную кубическую решетку - Al, Ni, Cu; гексагональную решетку — Mg, Zn, Ti.

      Некоторые металлы (железо, марганец и др.) в  зависимости от температуры нагрева могут иметь кристаллические решетки различного строения и, следовательно, обладать различными свойствами. Это явление называют аллотропией.

      К металлам, не претерпевающим аллотропических превращений в твердом состоянии при нагревании и охлаждении, относятся алюминий, магний, медь и др. Большое количество технически важных металлов (олово, цинк, никель, и др.) подвержено аллотропическим изменениям.

3. ПЛАВЛЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ  МЕТАЛЛОВ

      Переход металлов и сплавов из жидкого  состояния в твердое связан с  их кристаллизацией. При температуре кристаллизации в жидком металле сначала образуются центры кристаллизации, причем их роль играют разные примеси и включения. После образования зародышей атомы жидкого металла, расположенные беспорядочно, начинают располагаться вокруг этих зародышей и образуют кристаллы правильной геометрической формы. Так как кристаллизация начинается одновременно во многих местах и рост кристаллов идет по всем направлениям, то смежные кристаллы, сталкиваясь между собой, мешают свободному росту каждого. Это приводит к тому, что кристаллы приобретают неправильную внешнюю форму, несмотря на их упорядоченное внутреннее строение. Кристаллы неправильной формы принято называть кристаллитами, или зернами.

      В практических условиях кристаллизация с образованием геометрически правильных кристаллов происходит очень редко. Почти всегда образуются кристаллические зерна или дендриты неправильной геометрической формы. Каждое зерно состоит из большого количества мелких кристаллических решеток, в которых атомы расположены закономерно. Дендриты представляют собой древовидные кристаллы.

      При наблюдении за охлаждением и нагревом чистого металла могут быть построены кривые охлаждения и нагревания. Горизонтальный участок на кривой соответствует температурной остановке — температуре затвердевания или расплавления чистого металла (рис. 2).

Рис. 2. Кривые нагревания и охлаждения чистого металла, аморфного тела и сплава

а - кривая нагревания, б - кривая охлаждения без  переохлаждения, в - кривая с переохлаждением, г - кривая с петлей переохлаждения, д - кривая охлаждения аморфного тела, е - кривая охлаждения сплава.

      В отличие от кристаллических тел  аморфные не имеют выраженной границы при переходе из жидкого состояния в твердое (с понижением температуры процесс идет постепенно).

      Охлаждение  и надевание сплавов характеризуются (в отличие от чистых металлов) тем, что затвердевание и расплавление у них происходит не при одной определенной температуре, а в интервале температур. Начало затвердевания сплава соответствует температуре t₁, а конец затвердевания — температуре t₂.

      Температуры, при которых происходят аллотропические  и агрегатные превращения, называют критическими температурами или критическими точками.

4. СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ  И МЕТОДЫ ИХ  ИСПЫТАНИЙ

      Металлы характеризуются механическими, физическими, химическими и технологическими свойствами.

      Механические  свойства — прочность, упругость, пластичность, твердость, и др. По ним определяют конструкционную прочность материала, технологическое поведение его при обработке, однородность и стандартность.

      Механические  свойства определяют при проведении механических испытаний. Свойства зависят  от химического состава, структуры  и характера технологической обработки материала.

      Испытания бывают статические, когда прилагаемая нагрузка возрастает медленно и плавно; динамические, когда внешняя сила воздействует с большой скоростью (удар); технологические пробы, при проведении которых не принимается во внимание значение нагрузки, действующей на испытуемый образец.

      Испытание на растяжение является статическим. Его  проводят для определения прочностных и пластических свойств металлов и сплавов.

      Прочность — способность металла не разрушаться под действием приложенных к нему внешних сил.

      Упругость — способность металла восстанавливать свою форму после снятия нагрузки, вызвавшей его деформацию.

      Пластичность — способность металла изменять под действием внешней силы свою форму и размеры, не разрушаясь, и сохранять полученную форму после прекращения действия силы.

      Характеристики  механических свойств металла могут  быть определены посредством диаграммы растяжения, которая показывает изменение длины образца в зависимости от приложенной к нему нагрузки (рис.3).

Рис. 4. Диаграмма растяжения стального  образца. 

      Напряжения  по приведенным выше точкам характеризуют  следующие величины.

      Предел  пропорциональности σ_р (МПа), определяемый по формуле:

где Рр — нагрузка, при которой нарушена пропорциональность; F₀ — площадь поперечного сечения образца до разрыва.

      Предел  упругости σ_е (МПа), определяемый по формуле:

где Ре — нагрузка при пределе упругости.

      Предел  текучести σ_т (МПа), определяемый по формуле:

где Р_т — нагрузка, при которой наблюдается текучесть (удлинение образца без увеличения нагрузки).

Предел  прочности σ_в (МПа) — условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца. Определяется по формуле:

где P_в — наибольшая нагрузка.

      Кроме приведенных выше величин, при испытании на растяжение определяют пластичность материала, характеризуемую относительным удлинением δ (%) и относительным сужением ψ(%) площади поперечного сечения.

      Испытанием  на ударную вязкость определяют степень  сопротивления материала разрушению при ударной нагрузке. Данное испытание является важным для сталей, из которых изготавливают детали, работающие при знакопеременных нагрузках (коленчатые валы, вагонные оси и др.).

      Усталостным разрушением называется разрушение металлов под действием повторных или знакопеременных напряжений. Усталостному разрушению подвержены многие ответственные детали (коленчатые валы, клапанные пружины и др). Усталостное разрушение может наступить при нагрузках, значительно меньших предела прочности и даже предела текучести.

      Способность металла сопротивляться усталости называют выносливостью. На предел усталостной прочности оказывают большое влияние качество поверхности и ее твердость.

      Технологические свойства характеризуют способность металлов поддаваться технологической обработке, целью которой является придание металлам определенных форм, размеров и свойств. К ним относятся: литейные свойства, ковкость, свариваемость, прокаливаемость, обрабатываемость резанием и др. Поведение металла при технологической обработке определяют по технологическим пробам.

      Технологические пробы применяют главным образом  для определения пригодности материала к тому или иному способу обработки. Обычно о результатах технологических испытаний судят по состоянию поверхности после испытания (отсутствие трещин, надрывов, изломов). Распространенными технологическими пробами являются: проба на изгиб в холодном и нагретом состоянии, проба на перегиб и выдавливание, проба на осадку, проба на раздачу и обжатие труб.

      Физические  свойства металлов и сплавов являются важными, особенно для материалов, используемых в электротехнической промышленности. К этим свойствам относятся: плотность, температура плавления, теплопроводность, электропроводность, тепловое расширение, удельная теплоемкость и способность намагничиваться.

      Химические  свойства — это способность металлов и сплавов сопротивляться воздействию окружающей среды, которое проявляется в различных формах. Под влиянием кислорода воздуха и влаги металлы подвергаются коррозии: чугун и сталь ржавеют, бронза покрывается зеленым слоем окиси меди; сталь при нагреве в печах без защитной атмосферы окисляется, превращаясь в окалину, а в серной кислоте растворяется.

Общие сведения о строении сплавов

      Металлическими  сплавами называют сложные вещества на основе металлов, сохраняющие высокую электро- и теплопроводность, ковкость и другие свойства. Сплавы могут состоять из нескольких металлов или металлов и неметаллов.

      В жидком состоянии большинство сплавов  однородны и представляют одну фазу. После затвердевания в сплаве может образоваться несколько фаз. Количество фаз и их природа определяются характером взаимодействия компонентов сплава при затвердевании.

      Если  компоненты сплава растворяются друг в друге, то образуются твердые растворы. При этом атомы растворимого компонента либо замещают атомы растворителя в его кристаллической решетке, либо внедряются в нее. Такие сплавы являются однофазными и состоят из зерен твердого раствора с кристаллической решеткой компонента-растворителя. В случае ограниченной растворимости компонентов образуется двухфазный сплав, в котором второй фазой может быть чистый компонент или его химическое (металлическое) соединение с другим компонентом.

      Если  при затвердевании компоненты сплава не взаимодействуют друг с другом, то образуется механическая смесь зерен каждого из компонентов. Механическая смесь сплава может состоять из двух и большего числа фаз. При этом каждая из фаз сохраняет свой тип кристаллической решетки.

      Ряд компонентов при затвердевании  может вступать в химическое взаимодействие и образовывать химические соединения как металлов с неметаллами (например, карбид железа Fe₃C), так и металлов с металлами (например, СuАl₂); последние обычно называют металлическими соединениями.

Диаграммы состояния сплавов

      Зависимость агрегатного или фазового состояния сплавов от их состава и температуры определяют экспериментально путем определения критических точек превращений в сплавах по кривым нагрева (охлаждения). По полученным данным строят диаграммы состояния, отражающие связь между состоянием сплавов, их составом и температурой, а также фазовые превращения, происходящие в сплавах при нагреве и охлаждении.

      1. Диаграмма состояния сплавов — твердых растворов. На рис. 1.5 приведена диаграмма состояния сплавов, компоненты которых А и В обладают неограниченной растворимостью друг в друге. По вертикали располагают шкалу температур, по горизонтали — ось концентраций компонентов.

      При таком построении диаграмма отражает состояние сплава любой концентрации при любой температуре.

      Диаграмма состояния сплавов — твердых растворов состоит из двух линий: верхней — ликвидус (жидкий) и нижней — солидус (твердый). Выше линии ликвидус сплавы находятся в однофазном жидком состоянии между линиями ликвидус и солидус — двухфазном состоянии (кристаллы твердого раствора и жидкость) и ниже линии солидус — в однофазном твердом состоянии — состоят из зерен твердого раствора компонентов А и В.

      Рис. 5 Диаграмма состояния сплавов – твердых растворов.

      Как видно из диаграммы, сплавы-твердые  растворы в отличие от чистых компонентов затвердевают и плавятся в интервале температур между линиями ликвидус и солидус. В случае ограниченной растворимости компонентов на диаграмме состояния ниже линии солидус будет еще одна линия, отражающая эту растворимость.

      2. Диаграмма состояния  сплавов-смесей. Сплавы-смеси также затвердевают и плавятся в интервале температур между линиями ликвидус АСВ (рис. 6) и солидус DCF. И только сплав, соответствующий концентрации точки С, плавится, как и чистые компоненты, при постоянной температуре. После затвердения этот сплав состоит из смеси (рис. 6) мелких зерен обоих компонентов А и В. Такая смесь называется эвтектикой (Э), сплав с такой структурой —• эвтектическим, а точка С — эвтектической точкой. Соответственно сплавы, расположенные левее точки С, называются доэвтектическими, правее — заэвтектическими.

Рис.6. Диаграмма состояния сплавов-смесей.

      Затвердевание доэвтектического сплава I начинается в точке 1 на линии ликвидус АС выпадением кристаллов избыточного компонента А. Поэтому в интервале между точками 1 и 2 жидкая фаза сплава обедняется компонентом А и соответственно обогащается компонентом В. При температуре точки 2 сплав состоит из кристаллов компонента А и жидкой фазы, концентрация которой достигла эвтектического состава и поэтому затвердевает с образованием эвтектики (рис. 6).

Процесс затвердевания заэвтектического сплава IIIотличается от рассмотренного тем, что в нем на линии ликвидус СВ в точке 3 начинают выделяться кристаллы компонента В. Поэтому после затвердевания (точка 4) структура этого сплава состоит из кристаллов В и эвтектики (рис. 6).

3. Связь  диаграмм состояния сплавов с  их свойствами.

Рис.7. Связь диаграмм состояния сплавов с их свойствами

      Например, если компоненты сплава образуют механические смеси, то свойства этих сплавов (твердость, электропроводность и др.) изменяются по закону прямой линии (рис. 7, а). В сплавах-твердых растворах эти свойства изменяются по кривой с максимумом или минимумом (рис. 7, б).

      Установлено также, что твердые растворы обладают повышенной пластичностью, поэтому сплавы с такой структурой хорошо обрабатываются давлением. Наличие эвтектики в сплавах, наоборот, делает их более хрупкими, но улучшает литейные свойства.

5. Диаграмма состояния  железоуглеродистых  сплавов

      1. Общая характеристика железоуглеродистых сплавов. Упрощенная диаграмма состояния сплавов железа с углеродом приведена на рис. 8. Она построена в интервале концентраций углерода от 0 до 6,67 %, т. е., до образования химического соединения карбида железа Fe₃C, который ведет себя как самостоятельный компонент. Поэтому компонентами железоуглеродистых сплавов можно считать железо и карбид железа.

      Твердый раствор углерода в α-железе называют ферритом. (Ф). По своим свойствам феррит практически не отличается от технически чистого железа.

      Карбид  железа Fe₃C, наo6opот, очень тверд, но хрупок, Его называют цементитом (Ц). С увеличением содержания углерода образуется больше цементита, поэтому сплав становится тверже и хрупче.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ  МЕТАЛЛЫ

Углеродистые  стали

      Применяемые в практике стали содержат кроме  углерода до 0,4 % Si, 0,5—0,8 % Mn и по 0,02—0,05 % S и Р. Кремний и марганец являются полезными примесями; растворяясь в феррите, они упрочняют сталь. Сера образует соединение FeS и вызывает красноломкость, а фосфор, наоборот, растворяясь в феррите, вызывает хладноломкость стали.

      Основным  компонентом стали, оказывающим  решающее влияние на ее структуру  и свойства, остается углерод. С увеличением содержания углерода твердость и прочность стали повышаются, а пластичность и ударная вязкость значительно снижаются.

      По  назначению углеродистые стали подразделяют на конструкционные (С ≤0,8 %) и инструментальные (С ≥ 0,7 %).

      1. Конструкционные стали бывают обыкновенного качества и качественные.

      Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380—71) подразделяют на группы А, Б и В. Стали группы А характеризуются механическими свойствами; группы Б— химическим составом и группы В — механическими свойствами и химическим составом.

      По  степени раскисления эти стали  бывают кипящими (кп), полуспокойными (пс) или спокойными (сп).

      В зависимости от нормируемых показателей механических свойств эти стали подразделяют также на ряд категорий.

      Конструкционные стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрой — номером стали, например Ст3, Ст5 и т. д. Группа стали указывается соответствующей буквой в начале марки — БСт1, ВСт6 (в марке стали группы А такая буква не ставится — Ст4). В марке указывается также степень раскисления стали (Ст1кп; БСт2пс) и в конце — категория — Ст2кп3; ВСт4кп4 (первая категория не указывается — Ст1сп).

      Качественные  конструкционные стали (ГОСТ 1050—88) отличаются меньшим содержанием серы и фосфора (≤0,04 %), в них строже регламентируется содержание других элементов, неметаллических примесей.

      Эти стали маркируют числами 08, 10, 15, 20...85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. По степени раскисления они могут быть также кипящими, полуспокойными или спокойными.

      Из  конструкционных сталей выделяются так называемые автоматные стали  с повышенной обрабатываемостью резанием, применяемые в основном для изготовления из них деталей на станках-автоматах. Эти стали характеризуются повышенным содержанием серы (0,08—0,30 %) и фосфора (до 0,15 %). Сера образует в стали сульфид MnS, оказывающий смазывающее действие на инструмент, а фосфор способствует образованию ломкой стружки и получению чистой блестящей поверхности при резании.

      Автоматные  стали маркируют буквой А и  числом, указывающим содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, А30.

      2. Инструментальные стали подразделяют на качественные: У7, У8...У12, У13 и высококачественные: У7А, У8А... У12А, У13А. Числа в марке указывают содержание углерода в десятых долях процента, буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь,

Легированные  стали

      Легированными называют стали, в которых содержатся специально введенные (легирующие) элементы, изменяющие их свойства. К таким элементам относятся: Cr, Ni, Mo, V, Ti и др. Марганец в количестве свыше 1 % и кремний свыше 0,5 % также являются легирующими.

      Легирующие  элементы в марках стали обозначают буквами: В — вольфрам, Г — марганец, К — кобальт, М — молибден, Н — никель, С — кремний, Т — титан, Ф —- ванадий, X — хром, Ю — алюминий.

      Число в начале марки конструкционной  стали указывает на содержание углерода в сотых долях процента, цифры  после букв — среднее содержание обозначенного этими буквами элемента в процентах. Например, марка 18Х2Н4В обозначает сталь со средним содержанием 0,18 % С, 2 % Cr, 4 % Ni и около 1 % W.

      При маркировке инструментальных и некоторых  специальных сталей иногда отходят от этого правила. Например, марка Х12М обозначает сталь с содержанием около 1,5 % С, 12 % Cr и 0,5 % Мо.

      Некоторые легированные стали выделены в отдельные  группы: Ш — шарикоподшипниковые; Р — быстрорежущие; Е — магнитные и др.

      Стали, находящиеся в стадии исследования, обозначают буквами ЭИ и условным номером (ЭИ943) и пробные — буквами ЭП и условным номером (ЭП54).

      Легированные  стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и со специальными физическими свойствами.

      К конструкционным легированным сталям относятся стали, применяемые для изготовления цементуемых и улучшаемых термообработкой деталей машин, рессор и пружин, шарико- и роликоподшипников, жаропрочные, износо- и коррозионно-стойкие стали. Эти стали легируют разнообразными элементами — Mn, Ni, Si, Cr, Mo, Ti, Al и др.

      К инструментальным относятся стали для режущего, штампового, измерительного инструмента. Эти стали должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, поэтому их легируют в основном карбидообразующими элементами — Cr, W, V, Мо и др.

      К сталям и сплавам со специальными физическими свойствами относятся магнитные материалы, с высоким электросопротивлением, с заданным коэффициентом линейного расширения, с особыми упругими свойствами. Большинство из них отличаются высоким содержанием никеля, хрома, кобальта и других элементов.

Серые чугуны