Содержание
-
Материаловедение
Рущиц Сергей Вадимович
-
Тема 1. Типы связей в кристаллах
1.1. Устойчивость кристаллов и понятие энергии связи - суммарная энергия совокупности изолированных частиц -энергия кристалла Энергия связи - число частиц (атомов или ионов), образующих кристалл Чем больше энергия связи, тем выше устойчивость кристалла -энергия взаимодействия частиц ; (Uвз
-
Ван-дер-ваальсова связь 1.2. Четыре основных типа связи В зависимости от электронного строения частиц, образующих кристалл, конкретный характер проявления электростатического взаимодействия оказывается различным. Соответственно различают четыре основных типа связей в кристаллах: ван-дер-ваальсову, ионную, ковалентную и металлическую связь. Действует между атомами с полностью застроенными электронными оболочками и всегда сохраняющими свою электронейтральность. Связь возникает за счет притяжения мгновенных дипольных моментов, появляющихся у атомов в результате колебаний электронного облака атома относительно его ядра. Связь очень слабая: св 0,01 эВ/атом Ионная связь Возникает между атомами, легко отдающими свои валентные электроны (металлами), и атомами, склонными захватывать чужие электроны для заполнения своей последней электронной оболочки (галогены). В результате перехода валентных электронов от атома первого типа к атому второго типа образуются противоположно заряженные ионы с замкнутыми электронными оболочками, притягивающиеся друг к другу. В кристаллах заряженные положительно катионы стремятся окружить себя отрицательными анионами и наоборот. Связь сильная : св 7 эВ/атом Ионные кристаллы склонны к хрупкому разрушению. 3
-
Ковалентная связь Возникает в результате перекрытия не заполненных до конца электронных оболочек соседних атомов и обобществления пар электронов с противоположными спинами. Следствием обобществления электронов является повышение электронной плотности в пространстве между ионами и возникновение сил притяжения соседних ионов к этим областям с повышенной электронной плотностью. Связь сильная : св 10 эВ/атом Ковалентная связь насыщена и направлена в пространстве. Указанные свойства определяют высокую прочность, но хрупкость ковалентных кристаллов Металлическая связь Образуется за счет полного обобществления валентных электронов всеми ионами кристалла. Обобществленные электроны заполняют все межионное пространство и достаточно свободно перемещаются по кристаллу. Таким образом, металл можно представить в виде ионной решетки, погруженной в газ обобществленных электронов. Устойчивость металлических кристаллов обеспечивается притяжением положительно заряженных ионов к электронному газу. Энергия связи 3-5 эВ/атом Ненаправленный характер металлической связи обеспечивает металлам наряду с достаточно высокой прочностью высокую пластичность, несвойственную кристаллам с другими типами связей 4
-
5 Атомы (ионы) переходных металлов содержат внутренние незаполненные до конца электронные d-оболочки (вместимость – 10 электронов). При образовании кристалла d-оболочки соседних ионов перекрываются. В результате, в переходных металлах возникает ковалентная компонента связи, которая обеспечивает: более высокую энергию связи; более высокие температуры плавления. Примеры: Fe (1s22s22p63s23p63d64s2), Cr, Mo, W Различают простыеи переходные металлы. В простых металлах все внутренние электронные оболочки атомов (ионов) целиком заполнены. Примеры: Na (1s22s22p63s1), Al, Cu, Mg -обобществленные высокоподвижные электроны (электронный газ) обусловливают высокую электропроводность и высокую теплопроводность металлов. -переходные металлы Fe, Co, Ni с нескомпенсированным спиновым магнитным моментом d-электронов являются ферромагнетиками. Помимо высокой пластичности, металлы обладают следующими уникальными физическими свойствами:
-
Тема 2. Атомно-кристаллическое строение металлов а1 a2 Непримитивная (сложная) ячейка (два атома на ячейку) а1 a2 а1 а2 а3 Примитивная ячейка (один атом на ячейку) Трехмерная элементарная ячейка В кристаллическом состоянии атомы (ионы) металла располагаются в пространстве периодически, образуя кристаллическую решетку. Атомный мотив, повторением (трансляцией) которого можно построить весь кристалл, называется элементарной ячейкой. Выбор элементарной ячейки неоднозначен (рис.) Модули базисных векторов элементарной ячейки называются параметрами решетки. 2.1. Понятие кристаллической решетки
-
2.2. Основные кристаллические структуры металлов Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) (Fe, V, Nb, Cr) Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (Cu, Al, Ni, Au) Гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (Mg, Zn, Cd, Ti, Co) В модели жестких сфер ближайшие атомы соприкасаются: Плотность расположения атомов в кристалле по различным плоскостям и направлениям неодинакова. Это приводит к различию свойств кристалла в разных кристаллографических направлениях, называемому анизотропией.
-
А В А А В С ГПУ (…АВАВ…) ГЦК (…АВСАВС…) Структуры ГПУ и ГЦК являются плотноупакованными структурами иотличаются только законом укладки одинаковых плотноупакованных слоев Между атомами в ГПУ и ГЦК структурах остаются небольшие пустоты (поры). ОЦК структура более рыхлая – объем пор в ней больше.
-
2.3. Явление полиморфизма Ряд металлов изменяют тип своей кристаллической решётки при изменении температуры. Это явление называется полиморфизмом. Происходящаяперестройка кристаллической решетки ниже (при охлаждении) или выше (при нагреве) некоторой критической температуры называется полиморфным превращением. Титан: от 1670оС до 882оС - ОЦК (-титан); ниже 882оС - ГПУ (-титан) Примеры полиморфных металлов Железо : от 1539оС до 1392оС - ОЦК (-железо); от 1392оС до 911оС - ГЦК (-железо); ниже 911оС -ОЦК (-железо) Кобальт: от 1495оС до 468оС - ГЦК (-кобальт); ниже 468оС - ГПУ (-кобальт) Кривая охлаждения железа
-
2.4. Дифракционное изучение атомно-кристаллической структуры На кристалл направляют излучение с длиной волны , соизмеримой с межатомными расстояниями, например, рентгеновское излучение. Фиксируют углы , под которыми происходит отражение излучения от атомных плоскостей. По закону Вульфа-Брегга находят набор межплоскостных расстояний d, а по ним – тип и параметр кристаллической решетки
-
2.5. Моно- и поликристаллы Монокристаллы – индивидуальные кристаллические образцы, во всем объеме которых наблюдается правильная периодичность в расположении атомов. Поликристаллы – кристаллические образцы, объем которых разбит на микрообласти (зерна) , имеющие одинаковую кристаллическую решетку, но по-разному ориентированную в пространстве. Если зерна поликристалла имеют какую-либо предпочтительную (близкую) ориентировку в пространстве, то говорят, что поликристалл обладает текстурой . Текстура приводит к анизотропии свойств поликристалла. При случайной ориентировке зерен поликристаллы становятся изотропными.
-
2.6. Оптическая микроскопия – метод изучения структуры на микроуровне Микроструктурой называют строение металла, наблюдаемое при больших увеличениях (с помощью оптического микроскопа). Из исследуемого металла изготавливают микрошлиф: -вырезают небольшой образец и подвергают его шлифовке и полировке; - травят полированную поверхность. Происходит избирательное вытравливание границ раздела – на шлифе образуется микрорельеф. При наблюдении под микроскопом сильно растворившиеся участки будут выглядеть более тёмными, а слабее растворившиеся — более светлыми.
-
2.7. Обозначения (индексы Миллера) кристаллографических направлений и плоскостей Направления. Параллельные направления кристаллографически эквивалентны, и потому имеют одинаковые индексы. Направление, индексы которого собираются определить, переносят параллельно самому себе так, чтобы оно прошло через начало системы координат. Затем определяют координаты любого (не нулевого) узла, лежащего на этом направлении, и приводят их к минимальным целым числам. Примеры: Направления [100], [010], [001] представляют собой ребра куба и в этом смысле эквивалентны. Индекс , содержащий соответствующий набор чисел и записанный в остроугольных скобках, обозначает все семейство этих направлений. Диагонали граней куба входят в семейство направлений . Пространственные диагонали куба образуют семейство направлений с индексом .
-
Плоскости. Все параллельные и равноудаленные друг от друга плоскости эквивалентны и обозначаются одинаковыми индексами. Для их определения из семейства параллельных образцов выбирают плоскость, ближайшую к началу координат, но не проходящую через него. В общем случае плоскость пересекает базисные вектора a1, a2, a3 элементарной ячейки в точках с координатами 1/h, 1/k, 1/l, соответственно. Тройка целых чисел hkl, заключенная в круглые скобки, является индексами Миллера рассматриваемой системы параллельных плоскостей. Примеры: Семейства эквивалентных плоскостей обозначают тройкой соответствующих чисел, заключенных в фигурные скобки: {hkl}
-
Тема 3. Дефекты кристаллического строения 3.1.Вакансии (точечные дефекты) Вакансии – центры короткодействующих упругих полей (искажений). При выходе на свободные поверхности кристаллов или на границы зерен поликристаллов вакансии исчезают. Эти же свободные поверхности и границы зерен являются местами зарождения вакансий. Вакансии, меняясь местами с одним из соседних атомов, могут легко мигрировать по кристаллу. Вакансии - узлы кристаллической решётки, в которых отсутствуют атомы. Частота перескоков (миграции) вакансий экспоненциально возрастает с температурой.
-
Закалкой (быстрым охлаждением) от высоких температур можно сохранить все вакансии, образовавшиеся при высокой температуре, и тем самым зафиксировать при комнатной температуре, где подвижность вакансий мала, сверхравновесную концентрацию вакансий. Вакансии играют важнейшую роль в процессах диффузии и высокотемпературной ползучести Появление строго определенной концентрации вакансий термодинамически выгодно. Каждой температуре соответствует своя равновесная концентрация вакансий, экспоненциально возрастающая с температурой: n - число вакансий; N - число узлов; Q – энергия образования вакансий ( 1 эВ), R – газовая постоянная;
-
3.2.Дислокации (линейные дефекты) Краевая дислокация – край «лишней» (экстра-) полуплоскости. Дислокации – центры дальнодействующих упругих полей. Дислокации могут легко двигаться по кристаллу под действием касательных напряжений. На рисунке показано смещение атомов при перемещении дислокации слева направо на одно межатомное расстояние. Исходное положение отмечено пунктирными линиями Характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций, под которой понимают суммарную длину дислокаций Σl , приходящуюся на единицу объёма V:
-
Когда дислокация проходит по кристаллографической плоскости, называемой плоскостью скольжения дислокации, на поверхности возникает ступенька высотой, равной вектору Бюргерса дислокации b. b Дислокации – неравновесные дефекты. Энергия дислокации (на единицу ее длины) пропорциональна произведению модуля сдвига на квадрат вектора Бюргерса дислокации: В кристаллах существуют источники дислокаций, испускающие новые дислокации под действием приложенных касательных напряжений Вектор Бюргерса краевой дислокации перпендикулярен линии дислокации.
-
Дислокации упруго взаимодействуют между собой: одноименные дислокации отталкиваются (а), разноименные – притягиваются (б). Разноименные дислокации могут аннигилировать (в, г). При непосредственном пересечении дислокаций на них могут возникать пороги, затрудняющие последующее движение дислокаций.
-
Электронная микроскопия –основной метод изучения дефектов кристаллического строения Электронно-микроскопические изображения кристаллов с низкой и высокой плотностью дислокаций .
-
Наиболее важными поверхностными дефектами являются границы зёрен и границысубзёрен. Основная характеристика таких границ — угол разориентировки, то есть угол между одинаковыми кристаллографическими направлениями по обе стороны от границы. Когда этот угол превышает несколько градусов (15о), границу называют большеугловой, в противном случае — малоугловой. Границы между зёрнами являются большеугловыми. Часто зёрна оказываются разбиты на более мелкие образования — субзёрна, разделённые малоугловыми границами, которые образованы определёнными системами дислокаций . 3.3.Двумерные (поверхностные) дефекты
-
Тема 4. Фазы в металлических сплавах 4.1.Понятие фазы в сплавах Под фазой понимают однородную часть сплава, имеющую определённый химический состав, одинаковое агрегатное состояние и отделённую от других частей сплава поверхностью раздела. В зависимости от химического состава, температуры и способа обработки сплавы могут находиться в однофазном, двухфазном или многофазном состоянии. Структура сплавов в общем случае неоднородна. Примеры микроструктуры сплавов Сплавы образуются при сплавлении двух и более элементов (компонентов сплава)
-
4.2.Твердые растворы Твердый раствор замещения Твердый раствор - фаза, которая сохраняет кристаллическую решетку основного компонента (растворителя). В твердом растворе замещения атомы второго (растворенного) компонента располагаются в узлах этой решетки, в твердых растворах внедрения – в ее междоузлиях (порах) Твердый раствор внедрения Упорядоченный твердый раствор замещения
-
Твёрдые растворы замещения делятся на растворы с неограниченной и ограниченной растворимостью. Для реализации полной растворимости необходимо, чтобы компоненты имели одинаковый тип кристаллической решётки и различие их атомных размеров не превышало 15%. Твердые растворы внедрения образуются только в тех случаях, когда размеры атома растворённого элемента невелики. Эти растворы всегда являются растворами с ограниченной растворимостью. Атомы второго компонента в твердых растворах – центры упругих искажений. Особенно велики искажения от атомов внедрения. Концентрация растворённых атомов в твёрдом растворе может быть различной.
-
При наличии градиента концентрации атомы растворенного компонента могут перемещаться (диффундировать) по кристаллической решетке растворителя, стремясь выровнять концентрацию сплава по объему материала. Атомы внедрения диффундируют, перескакивая из одного междоузлия в соседнее междоузлие: 4.3.Механизмы диффузии в твердых растворах Диффузия атомов замещения происходит по вакансиям: Поэтому скорость диффузии атомов замещения значительно ниже, чем атомов внедрения.
-
Диффузия описывается законом Фика: Коэффициент диффузии экспоненциально возрастает с температурой: - коэффициент диффузии - плотность потока диффундирующих атомов -градиент концентрации растворенного компонента - предэкспоненциальный множитель -энергия активации диффузии
-
Промежуточные фазы, в отличие от твёрдых растворов, сохраняющих решётку металла-растворителя, обычно имеют собственную решётку, отличающуюся от решёток чистых компонентов. Эти фазы могут иметь как постоянный, так и переменный состав. Примеры промежуточных фаз: 1) Химические соединения. Они имеют ионный или ковалентный тип связи и не обладают металлическими свойствами. Их состав практически постоянен. Такие фазы, образованные по закону нормальной валентности, например, Al2O3, AlN, FeO, MnS. 2) Фазы внедрения, которые образуются при взаимодействии переходных металлов с углеродом, азотом, водородом, имеющими малый атомный радиус. Крупные атомы металла размещаются в узлах кристаллической решётки, а небольшие атомы неметалла — в междоузлиях, но сама эта решётка иная, чем у чистого металла. В фазах внедрения преобладает металлическая связь. Чаще всего они имеют переменный состав, хотя для их обозначения условно используют химические формулы (например, TiC, TiN, VC). Для фаз внедрения характерны высокие температуры плавления и высокая твёрдость. 3) Интерметаллиды –соединения металлов с почти постоянным составом и металлическим типом связи (TiAl, CuZn, Cu3Al). 4.4.Промежуточные фазы
-
Тема 6. Деформация металлов и сплавов 6.1. Упругая и пластическая деформация. Упругой деформацией называется такая деформация, которая исчезает после снятия внешних сил. Механизм упругой деформации: обратимое смещение атомов из положения равновесия в кристаллической решётке. При упругой деформации наблюдается линейная зависимость между напряжением σ и деформацией ε в соответствии с законом пропорциональности (законом Гука): -модуль нормальной упругости Пластическая деформация характеризуется тем, что после снятия нагрузки форма и размеры тела не восстанавливаются, а структура и свойства претерпевают необратимые изменения. Способность металла пластически деформироваться называется пластичностью Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних нагрузок.
-
Истинные напряжения и деформации Условные (инженерные) напряжения и деформации
-
Основной механизм пластической деформации - сдвиг (скольжение) одних частей кристаллитов относительно других под действием касательных напряжений, когда их величина превысит определённое критическое значение. 6.2. Механизм пластической деформации. Скольжение происходит по плоскостям и направлениям, в которых плотность упаковки атомов максимальна. Такие плоскости и направления для основных типов кристаллических решёток показаны на рис.
-
Если представить, что скольжение протекает путём одновременного смещения всех атомов одного слоя относительно другого, то, как показывают расчёты, потребовалось бы приложить напряжения, на три порядка превышающие те, которые наблюдаются в реальных условиях.. Следовательно, деформация осуществляется иным путём; а именно, путём скольжения дислокаций. Как было показано выше, перемещение дислокации требует небольших смещений атомов и, соответственно, для этого необходимы небольшие напряжения
-
В процессе пластической деформации происходит образование новых дислокаций, и их плотность повышается с 106…108 до 1010…1012 см–2. Дислокации могут возникнуть в результате работы источника Франка – Рида. Дислокация, закреплённая в точках A и B, под действием касательных напряжений выгибается до тех пор, пока не примет форму полуокружности. Далее на её краях возникают две спирали. Дислокация разрастается до тех пор, пока спирали не сольются. При этом возникает дислокационная петля, а дислокация AB возвращается висходное положение; источник Франка – Рида вновь готов к работе. При наличии напряжения один источник может генерировать сотни новых дислокаций. Увеличение плотности дислокаций приводит к затруднению их движения. Сопротивление металла деформированию возрастает. Для продолжения пластической деформации требуется постоянное увеличение прилагаемых напряжений. Это явление называется наклепом или деформационным упрочнением.
-
Ряд металлов может деформироваться не только путём скольжения, но и путём двойникования, которое заключается в переориентации части кристалла в положение, зеркально симметричное по отношению к исходному.
-
На начальных стадиях деформирования поликристаллов зёрна ввиду разной ориентации относительно приложенной нагрузки деформируются неодинаково. Форма зерна практически не изменяется. Увеличение степени деформации сопровождается не только повышением плотности дислокаций, но и приводит к вытягиванию зёрен в направлении пластического течения. При значительной деформации зёрна принимают форму волокон. Оптическая микроскопия Электронная микроскопия
-
При больших степенях деформации в металлах возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зёрен — текстура. Текстура тем существенней, чем больше степень деформации. Образование текстуры вызывает анизотропию свойств деформированного металла. Аксиальная текстура – возникает, если определенные кристаллографические направления (ось текстуры) в зернах устанавливаются параллельно какому-либо внешнему направлению (например, оси волочения). Обозначение текстуры – >, где - индексы кристаллографического направления, ориентированного вдоль внешнего направления. Текстура прокатки характеризуется тем, что определенные плоскости {hkl} в большинстве зернен параллельны плоскости проката, а направления устанавливаются параллельно направлению проката. Типичные текстуры прокатки: ГЦК металлы: {112}, {110} ОЦК металлы: {100}, {112} Типичные текстуры волочения: ОЦК металлы: ГЦК металлы: ,
-
Тема 7. Разрушение металлов Под разрушением понимают разделение тела на отдельные части под действием напряжений. Разрушение происходит путём зарождения и распространения трещин. Возникновение микротрещин происходит в местах концентрации напряжений , например, в местах скопления дислокаций перед преградами (границы зерен, включения). Разрушение подразделяется на вязкое и хрупкое. Вязкому разрушениюпредшествует значительная макропластическая деформация. Скорость распространения трещины мала., а работа распространения трещины велика. При хрупком разрушении пластическая деформация мала. Трещина распространяется с высокой скоростью без больших затрат энергии. Поэтому хрупкое разрушение очень опасно. Вязкие трещины распространяются по телу зерна (транскристаллитное разрушение) Хрупкое разрушение может быть, как транскристаллитное по механизму скола, так и интеркристаллитное по границам зерен. 7.1. Вязкое и хрупкое разрушение
-
Вязкие изломы имеют темный матовый цвет и волокнистое строение. Хрупкие изломы - светлые с характерным кристаллическим строением. О характере разрушения можно судить по виду излома. Более детально о характере разрушения судят по исследованиям структуры изломов с помощью растрового электронного микроскопа Вязкий транскристаллитный излом Хрупкий транскристаллитный излом Хрупкий интеркристаллитный излом Вязкий излом Хрупкий излом
-
Склонность металлов к хрупкому разрушению характеризует ударная вязкость – работа А, затраченная на разрушение образца, равная сумме работ на зарождение и распространение трещины, отнесенная к площади поперечного сечения S образца. KCU — если концентратором является U-образный надрез с радиусом 1 мм; KCV — если концентратором является V-образный надрез с радиусом 0,25 мм/ Чем выше значение ударной вязкости, тем меньше склонность материала к хрупкому разрушению, тем надежнее материал в эксплуатации. 7.2. Оценка склонности к хрупкому разрушению в ударных испытаниях
-
Для большинства металлов с ОЦК решеткой при пониженных температурах наблюдается смена вязкого разрушения хрупким. Это явление называется хладноломкостью. Переход от вязкого разрушения к хрупкому может вызываться не только снижением температуры, но и увеличением скорости нагружения. Хрупкому разрушению способствуют также концентраторы напряжений , укрупнение зерна, наличие в металле неметаллических включений, повышенное содержание ряда примесей. За порог хладноломкости принимают среднюю температуру интервала резкого падения ударной вязкости. За порог хладноломкости можно принять температуру, при которой доля вязких участков в изломе составляет 50% (T50)
-
- разрушение в условиях действия повторных и знакопеременных (циклических) напряжений в металлах и сплавах. Может происходить под действием напряжений, меньших предела текучести. Усталостная трещина зарождается на поверхности детали и затем развивается вглубь. После того как трещина усталости займет значительную часть сечения происходит быстрое разрушение во второй части сечения – зона долома. 7.3. Усталостное разрушение Процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящий к снижению долговечности из-за образования трещин и разрушения, называют усталостью, а свойство металла противостоять усталости — выносливостью. Предел выносливости — наибольшим напряжением, которое металл может выдержать без разрушения в течение заданного числа циклов. Предел выносливости чаще всего определяют на вращающемся образце с приложением изгибающей нагрузки, вызывающей знакопеременные напряжения
-
Определяют число циклов до разрушения N при разных нагрузках и строят график мax – logN, где мax—максимальное напряжение цикла . Если кривая имеет горизонтальный участок, то определяют физический предел выносливости. Когда кривая не имеет горизонтального участка, то оценивают ограниченный предел выносливости, равный напряжению, которое может выдержать материал без разрушения в течение заданного числа циклов нагружения (обычно 108). При симметричном цикле нагружения предел выносливости обозначают σ–1.
-
Тема 8. Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла. Возврат и рекристаллизация Структура пластически деформированного металла обладает повышенной энергией. При нагреве деформированный металл стремится перейти в более равновесное состояние. В зависимости от температуры и длительности нагрева в деформированном металле протекают процессы возврата и процессы рекристаллизации. Под возвратом понимают совокупность процессов изменения плотности и распределения дефектов кристаллического строения в деформированном металле. Возврат получает заметное развитие при относительно низких температурах нагрева (ниже 0,3Tпл, где Tпл -температура плавления в кельвинах). На стадии возврата: уменьшается концентрация избыточных вакансий; проходят процессы аннигиляции и перераспределения дислокаций перераспределение дислокаций сопровождается формированием субзерен с малоугловыми границами (полигонизация) 8.1. Процессы возврата
-
8.2. Процессы рекристаллизации При более высоком нагреве деформированного металла (выше 0,4 Т пл. происходит рекристаллизация - образование и рост новых зерен с малой плотностью дислокаций. Деформированная структура Начало первичной рекристаллизации Завершение первичной рекристаллизации Развитие собирательной рекристаллизации Минимальная температура начала рекристаллизации металла, подвергнутого большой деформации (более 60…70%), называется температурным порогом рекристаллизации.
-
-
Величина рекристаллизованного зерна зависит от величины предварительной деформации, времени и выдержки температуры нагрева В силу того, что при рекристаллизации образуются зерна с малой плотностью дислокаций, наклеп снимается: прочность падает, а пластичность возрастает до уровня недеформированного металла. Малая деформация
-
Тема 9. Механизмы упрочнения 9.1 Деформационное (дислокационное) упрочнение Пластическая деформация осуществляется скольжением дислокаций. Поэтому повысить прочность (сопротивление деформации) - означает создать преграды для движущихся дислокаций. Существуют четыре основных механизма упрочнения. В процессе пластической деформации плотность дислокаций увеличивается. Дислокации приходят во взаимодействие и препятствуют движению друг друга. В результате, напряжения, необходимые для продолжения деформации, возрастают, т.е. происходит упрочнение материала. 46
-
9.2 Твердорастворное упрочнение В твёрдых растворах около атомов растворённого элемента создаются области упругих напряжений. Эти напряжения препятствуют движению дислокаций , то есть вызывают упрочнение. Упрочнение тем больше, чем большие искажения решётки возникают вокруг атомов растворённого элемента и чем выше концентрация раствора. При сопоставимой концентрации упрочнение в твёрдых растворах внедрения намного выше, чем в растворах замещения. Упругие искажения вокруг растворенного атома Атмосферы растворенных атомов вокруг дислокации Вклад твердорастворного упрочнения в предел текучести феррита 47
-
9.3 Дисперсионное упрочнение Перерезание дислокацией включений: Огибание дислокацией включений Значительное повышение прочностных характеристик может быть обеспечено при наличии в структуре сплава дисперсных частиц. Дислокациям при движении приходится огибать или перерезать эти частицы, что и вызывает эффект упрочнения. Высокие значения прочности достигаются тогда, когда частицы равномерно распределены по объёму металла и расстояние между ними невелико. 48
-
9.4 Зернограничное упрочнение Границы зёрен непроницаемы для дислокаций, что затрудняет передачу сдвига из зерна в зерно. Поэтому уменьшение размера зерна приводит к росту прочностных характеристик. Зависимость предела текучести σ0,2 от размера зерна dописывается формулой Холла – Петча: Измельчение зерна единственный механизм упрочнения, который наряду с повышением прочности увеличивает вязкость и снижает порог хладноломкости. Все прочие механизмы упрочнения снижают вязкость. Зависимость механических свойств от размера зерна феррита 49
-
Тема 10. Особенности деформации при повышенных температурах В зависимости от температуры деформирования различают холоднуюи горячую деформацию. Для технически чистых металлов пластическая деформация считается холодной, если она осуществляется ниже 0,3Tпл. Пластическая деформация при температурах выше (0,6…0,7)Tпл называется горячей деформацией. Процессы упрочнения при горячей деформации сопровождаются процессами разупрочнения- динамическим возвратом и динамической рекристаллизацией 10.1 Динамический возврат и динамическая рекристаллизация в процессе горячей деформации На стадии динамического возврата рост плотности дислокаций сопровождается их аннигиляцией и перераспределением с образованием субзеренной структуры. В результате, начиная с некоторой величины деформации, устанавливается баланс между процессами деформационного упрочнения и динамического разупрочнеия, так что последующая деформация происходит под действие постоянных (установившихся) напряжений
-
Динамическая рекристаллизация заключается в формировании в процессе деформации новых зерен с их последующим ростом. Динамическая рекристаллизация сопровождается падением напряжений до некоторого установившегося значения. Динамическая рекристаллизация происходит при относительно высоких температурах и относительно малых скоростях деформации
-
При высоких температурах и очень малых скоростях деформации в материалах с мелким зерном «включается» особый механизм деформации в виде зернограничного скольжения. Исходное состояние Зернограничное проскальзывание 10.2 Новый механизм деформации – зернограничное проскальзывание Как следствие, мелкозернистые материалы проявляют высокотемпературную сверхпластичность
-
10.2 Ползучесть в процессе горячей деформации Повышение температуры приводит не только к снижению прочностных характеристик — пределов текучести и прочности. При повышенных температурах возникает также явление, называемое ползучестью, под которой понимают медленное нарастание пластической деформации при постоянно действующих напряжениях, меньших предела текучести. Различают дислокационную и диффузионную ползучесть. Дислокационная связана с движением дислокаций. При диффузионной ползучести деформация происходит в результате ориентированного диффузионного перемещения атомов под действием приложенных напряжений. 1 –стадия неустановившейся ползучести; 2 – стадия установившейся ползучести; 3 – стадия разрушения
-
Под жаропрочностью понимают способность металлов сопротивляться деформации и разрушению при длительном воздействии нагрузок при повышенных температурах Основной характеристикой жаропрочности материала является длительная прочность Предел длительной прочности означает, что материал выдерживает нагрузку 50 МПа при температуре 750°С без разрушения в течении 100 ч. Предел ползучести означает, напряжение 50 МПа при температуре 750°С за 1000 часов не должно вызвать остаточной деформации более 0,1 %. Пути повышения жаропрочности Повышение сил межатомного взаимодействия. за счет легирования. Чем они выше, тем выше температура плавления , порог рекристаллизации и сопротивление ползучести. Создание структур с дисперсными частицами упрочняющих фаз, затрудняющим движение дислокаций Использование материалов с крупным зерном , препятствующим зернограничному скольжению, зарождению пор и трещин и повышающим сопротивление ползучести
-
Сталь 20Х13 Напряжения деформирования при горячей деформации падают с ростом температуры и понижением скорости деформации. Зерна на стадии возврата Зерна после динамической рекристаллизации
-
Тема 11. Железо и его сплавы 11.1. Компоненты и фазы в системе железо-углерод Железо – полиморфный металл В системе железо–углерод различают следующие фазы. Феррит () — твёрдый раствор внедрения углерода в -Fe с ОЦК-решеткой Максимальная растворимость углерода – 0,1%,. Феррит () — твёрдый раствор внедрения углерода в -Fe с ОЦК-решеткой Максимальная растворимость углерода – 0,02%,. Аустенит () — твёрдый раствор внедрения углерода в -Fe с ГЦК-решеткой Максимальная растворимость углерода – 2,14%,. Цементит (Ц) — химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fe3C. В цементите содержится 6,67%C. Он имеет сложную решётку. Феррит и аустенит обладают высокой пластичностью, относительно невысокими твёрдостью и прочностью. Прочностные свойства аустенита несколько выше, чем феррита. Цементит является твёрдой и хрупкой фазой.
-
11.2. Диаграмма фазовых равновесий системы Fe-Fe3C Превращения: -перитектическое -эвтектическое -эвтектоидное
-
11.3. Стали и чугуны. Чугуны – сплавы с [C]>2.14% - испытывают эвтектическое превращение: Смесь образующихся фаз –эвтектика или ледебурит. Ледебурит –твердая, но хрупкая структурная составляющая чугунов делает их неспособными к обработке давлением. Рассмотренные чугуны называются белыми чугунами. Чугун , содержащий 4,3% С , называется эвтектическим. Структура – ледебурит. Чугуны , содержащие >4,3% С , называются заэвтектическими. Структура – кристаллы цементита и ледебурит. Чугуны , содержащие
-
Стали – сплавы с 0,02%0,8% С , называются заэвтектоидными. Структура – цементит по границами зерен + перлит. Стали не содержат хрупкий ледебурит и могут подвергаться обработке давлением
-
Точка A1 — температура эвтектоидного превращения. При медленном охлаждении аустенит состава S превращается в феррит состава P и цементит. При медленном нагреве реакция идёт в обратном направлении. Точка A3 — начало выделения феррита из аустенита при медленном охлаждении или конец превращения феррита в аустенит при медленном нагреве. Точка Acm — начало выделения вторичного цементита из аустенита при медленном охлаждении или окончание растворения цементита в аустените при медленном нагреве. Указанные критические точки имеют разное значение при нагреве и охлаждении. Обозначения критических точек, определённых при нагреве, имеют дополнительный индекс «c», а при охлаждении — «r»: Ac1 и Ar1, Ac3 и Ar3. Для сталей различают следующие критические точки
-
11.4. Структурная диаграмма системы Fe-C3C
-
11.5. Влияние содержания углерода на структуру и свойства сталей в равновесных условиях (после медленного охлаждения из аустенитного состояния) С ростом содержания углерода в доэвтектоидных сталях увеличивается доля цементита и, соответственно, доля перлита в структуре. Поэтому происходит рост прочностных свойств и падение пластичности и вязкости. При содержании в стали более 1,0%C пределы текучести и прочности начинают уменьшаться. Это объясняется выделением по границам бывших зёрен аустенита вторичного цементита, образующего сплошной хрупкий каркас, который при нагружении вызывает преждевременное разрушение. Структура стали после медленного охлаждения обычно состоит из двух фаз: мягкого пластичного феррита и твёрдого, но хрупкого цементита. Механические свойства углеродистых сталей с равновесной структурой редко удовлетворяют требованиям , предъявляемым к конструкционным материалам. Улучшают свойства сталей путем легирования и термической обработки.
-
11.6. Фазовые и структурные превращения в неравновесных условиях Образование аустенита при нагреве – аустенитизация Для изменения структуры стали ее, прежде всего, нужно нагреть в аустенитную область для реализации диффузионного превращения смеси феррита и цементита в аустенит. Зерна аустенита зарождаются на границах пластин феррита и цементита и, затем полностью поглощают исходные фазы: Размер аустенитного зерна увеличивается с увеличением времени выдержки и, в особенности, с ростом температуры нагрева Крупное аустенитное зерно крайне нежелательно, так как приводит к повышению порога хладноломкости и уменьшению вязкости стали. Поэтому температура нагрева для аустенитизации ограничивают сверху.
-
Превращения переохлажденного аустенита в изотермических условиях Превращение аустенита в ФЦС ниже А1 начинается с диффузионного перераспределения атомов углерода и образования участков, обогащенных и обедненных углеродом., в которых впоследствии образуется феррит и цементит, соответственно. Диффузия атомов углерода требует времени. Поэтому распад аустенита ниже А1 начинается не сразу, а по истечение инкубационного периода. С ростом величины переохлаждения инкубационный период сначала уменьшается, а затем, растет (описывается С-образной кривой). Диаграмма изотермического распада эвтектоидной стали С понижением температуры превращения уменьшается межпластинчатое расстояние ФЦС и увеличивается твердость. По степени дисперсности ФЦС различают перлит , сорбит и троостит – грубо-, средне- и тонкодисперсную ФЦС пластинчатого строения
-
Ниже температуры Мн инкубационный период обращается в нуль. Это свидетельствует о реализации нового (бездиффузионного) превращения аустенита – мартенситного превращения. Мартенсит – продукт бездиффузионного сдвигового превращения аустенита - является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в -железе и имеет ОЦТ (тетрагональную) кристаллическую решетку . Тетрагональность с/а решетки мартенсита увеличивается с ростом содержания углерода в стали. Атомы углерода располагаются в порах, расположенных только вдоль одной оси решетки Сдвиговый (путем кооперативного движения атомов) механизм мартенситного превращения определяет пластинчатую форму мартенситных кристаллов. Мартенсит – твердая, но хрупкая фаза. Высокая твердость обусловлена твердорастворным упрочнением (внедренным атомами углерода)
-
Ниже носа С-образной кривой, но выше Мн реализуется бейнитное(промежуточное) превращение. Бейнитное превращение начинается с диффузионного образования участков, обогащенных углеродом, в которых формируются дисперсные включения цементита. В обедненный углеродом участках происходит образование -фазы по сдвиговому механизму. Смесь этих двух фаз называется бейнитом. Превращения переохлажденного аустенита при непрерывном охлаждении С ростом скорости охлаждения стали из аустенитного состояния увеличивается степень переохлаждения аустенита и происходит измельчение образующейся ФЦС. При скорости охлаждения вше Vкр диффузионный распад аустенита на ФЦС подавляется, и реализуется бездиффузионное мартенситное превращение. Vкр - критическая скорость закалки. Закалка стали – охлаждение ее из аустенитного состояния со скоростью выше Vкр , обеспечивающее подавление диффузионного распада аустенита и реализацию бездиффузионного мартенситного превращения.
-
Особенности превращения переохлажденного аустенита в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях Диаграмма изотермического распада доэвтектоидной стали Диаграмма изотермического распада заэвтектоидной стали 1- время до начала выделения феррита; 2- время до начала диффузионного распада аустенита на ФЦС; 3- время до полного завершения распада аустенита 1- время до начала выделения цементита; 2- время до начала диффузионного распада аустенита на ФЦС; 3- время до полного завершения распада аустенита В доэвтектоидных сталях распад аустенита начинается с выделения феррита, а в заэвтектоидных сталях – с выделения цементита. На диаграммах изотермического распада появляются соответствующие дополнительные линии.
-
С ростом содержания углерода в стали твердость мартенсита возрастает, т.к. увеличиваются искажения решетки железа, препятствующие движению дислокаций (твердорастворный эффект). С ростом содержания углерода в стали снижается интервал мартенситного превращения. В высокоуглеродистых сталях это приводит к понижению температуры окончания мартенситного превращения ниже комнатной температуры и к большому количеству остаточного аустенита. Несмотря на это, с ростом содержания углерода выше 0,8% наблюдается падение твердости закаленной стали , которое обусловлено увеличением количества остаточного аустенита.
-
Для уменьшения количества остаточного аустенита закалку заэвтектоидных сталей производят из межкритического интервала (от температур на 30-50оС выше температуры Ас1 (неполная закалка).
-
11.7. Превращения, протекающие при отпуске закаленной стали Закалённую сталь обязательно подвергают отпуску, под которым понимают нагрев до температур, не превышающих точку A1.Структура закалённой стали неравновесна. При нагреве, когда возрастает диффузионная подвижность атомов, в закалённой стали развиваются процессы, стремящиеся приблизить структуру к равновесному состоянию.
-
Структура сорбита может быть получена как при закалке и отпуске при высоких температурах, так и при диффузионном распаде переохлаждённого аустенита. Если в сорбите, образующемся при непосредственном распаде переохлаждённого аустенита, цементит находится в виде длинных пластин, то в сорбите отпуска цементитные частицы имеют сферическую форму и относительно равномерно распределены в феррите. Такая структура обладает более благоприятным комплексом свойств. При равной или большей прочности сорбит отпуска имеет бо´льшую пластичность и ударную вязкость, а также более низкий порог хладноломкости При отпуске до 150…200°C сохраняется высокий уровень прочности и несколько уменьшается склонность к хрупкому разрушению. Повышение температуры отпуска вызывает непрерывное снижение прочности, а показатели пластичности увеличиваются . При отпуске выше 350…400°C наблюдается заметный рост ударной вязкости и снижение порога хладноломкости.
-
11.8. Закаливаемость и прокаливаемость сталей Способность стали повышать твёрдость в результате закалки называется закаливаемостью. Кроме того, твердость закаленной стали зависит от присутствия в структуре остаточного аустенита. Повышенное количество этой мягкой структурной составляющей отрицательно сказывается на упрочнении при закалке. Уровень твёрдости закалённой стали определяется в первую очередь содержанием углерода в её основной структурной составляющей — мартенсите. Чем больше углерода в мартенсите, тем выше его твёрдость.
-
Другой важной характеристикой закалённой стали является прокаливаемость, под которой понимают глубину проникновения закалённой зоны. Величина прокаливаемости определяется скоростью охлаждения и критической скоростью закалки. Структура стали после закалки: заштрихованная область – мартенсит; светлая область ФЦС
-
Сквозная прокаливаемость Структура закаленного слоя после отпуска – зернистый сорбит Структура сердцевины после отпуска – пластинчатый сорбит В результате, при несквозной прокаливаемости свойства стали по сечению неоднородны:
-
Высокий отпуск приводит к формированию в поверхностном закалённом слое сорбита отпуска, состоящего из феррита, имеющего субзёренное строение, и карбидных частиц глобулярной формы. В сердцевине изделия, где в процессе охлаждения распад переохлаждённого аустенита прошёл по диффузионному механизму, отпуск при высоких температурах не вызывает глубоких изменений структуры — сохраняется пластинчатая форма карбидов. В связи с вышесказанным, при закалке изделий ответственного назначения, которые должны обладать высокими и однородными механическими свойствами по всему сечению, стремятся иметь полную прокаливаемость Увеличение прокаливаемости изделия данных размеров может быть достигнуто путём повышения скорости охлаждения. Однако увеличение скорости охлаждения приводит к росту внутренних напряжений, что, в свою очередь, может вызвать появление закалочных дефектов (коробление, закалочные трещины). Наиболее эффективный путь увеличения прокаливаемости — уменьшение критической скорости закалки. Последняя определяется устойчивостью переохлаждённого аустенита. Все факторы, увеличивающие устойчивость переохлаждённого аустенита, повышают и прокаливаемость сталей. Особенно сильно на прокаливаемость влияет химический состав сталей. Углеродистые стали характеризуются малой устойчивостью переохлаждённого аустенита и, следовательно, высокой Vкр, и поэтому имеют небольшую прокаливаемость, Значительное увеличение устойчивости переохлаждённого аустенита и прокаливаемости достигается путём легирования
-
11.9. Легирующие элементы в сталях и цели легирования Обеспечение необходимой прокаливаемости. Легирующие элементы замедляют диффузию углерода и диффузионный распада аустенита . В результате С-образные кривые сдвигаются вправо, критическая скорость закалки падает , а прокаливаемость растет. Уменьшение критической скорости закалки при легировании позволяет проводить закалку в менее резких охладителях, что снижает уровень закалочных напряжений, а следовательно, уменьшает коробление изделий и вероятность образования трещин Для повышения прокаливаемости широко используют Mn, Ni, Cr и Mo. Особенно эффективно повышает прокаливаемость комплексное легирование Cr+Ni, Cr+Mn, Cr+Ni+Mo. Сквозная прокаливаемость в больших сечениях позволяет получить для крупных изделий при закалке и отпуске высокие и однородные по их объёму механические свойства Большинство легирующих элементов образуют с железом твёрдые растворы замещения. Небольшая группа элементов образует твёрдые растворы внедрения (N). Некоторые элементы образуют с углеродом собственные карбиды.
-
Легирование применяют для измельчения зерна. Мелкое зерно аустенита благоприятно влияет на формирование механических свойств при термической обработке. Наиболее сильно тормозят рост зерна аустенита элементы Cr, Mo, W, V, Nb и Ti (карбидообразующие элементы), образующие с углеродом собственные (специальные) карбиды. Эти специальные карбиды более устойчивы при нагреве и растворяются в аустените при более высоких температурах, чем цементит. До температур их растворения дисперсные частицы специальных карбидов сдерживают рост аустенитных зерен и обеспечивают сохранение мелкого зерна. Наиболее эффективно тормозят рост аустенитного зерна при нагреве небольшие добавки ванадия, титана и ниобия (до0,10…0,15%). По этой причине легирование такими элементами позволяет во многих случаях снизить порог хладноломкости
-
Легирование карбидообразующими элементами и кремнием затрудняют процессы, происходящие при отпуске закаленной стали (распад мартенсита, коагуляцию карбидных частиц,) и способствует сохранению повышенной плотности дислокаций до более высоких температур отпуска. Всё это задерживает разупрочнение при отпуске и позволяет получить более высокий уровень прочностных характеристик после улучшения. Изменение твердости при отпуске закаленных сталей с 0,45%С и различным содержание легирующих элементов (Твердость после закалки зависит только от содержания углерода., так как легирующие элементы не влияют на твердость мартенсита)
-
Легирующие элементы упрочняют феррит. Наиболее существенно повышают прочностные характеристики феррита кремний, марганец и никель. Однако, упрочняя феррит, легирующие элементы снижают ударную вязкость и повышают порог хладноломкости (особенно при концентрациях более 1%). Исключение составляет никель. Он оказывает особо ценное влияние на сталь: одновременно с увеличением прокаливаемости никель повышает вязкость стали и снижает порог хладноломкости.
-
Легирующие элементы изменяют температуры фазовых превращений, а при их большом содержании и вид диаграммы фазовых равновесий. Часть элементов (Mn, Ni, Co) расширяет область существования аустенита, понижая температуры А3 . При достаточно больших содержаниях они снижают температуру γ↔α-превращения вплоть до комнатной температуры, как это и показано на рис. а. Стали с аустенитной структурой при комнатной температуре называют аустенитнымисталями Другая часть элементов (Cr, Mo, W, V, Ti, Al, Si) повышают точку A3. При определённой концентрации эти элементы полностью выклиниваютγ-область и образуют гомогенную α-область. Стали, находящиеся на диаграмме правее точки s, при всех температурах имеют ферритную структуру. Такие стали называют ферритными.
-
Легирующие элементы влияют на температуру А1 эвтектоидного превращения. Легирующие элементы влияют на температуру мартенситного превращения и на количество остаточного аустенита
-
11.10. Вредные и постоянные примеси в сталях Сера вызывает красноломкость стали — хрупкость при горячей обработке давлением. Она образует сульфид FeS, который совместно с железом даёт легкоплавкую эвтектику (988°C). Эта эвтектика располагается преимущественно по границам зёрен. При нагреве стали до температур прокатки или ковки (1000…1200°C) эвтектика расплавляется, нарушая связь между зёрнами, вследствие чего образуются надрывы и трещины. Фосфор, растворяясь в феррите, увеличивает пределы текучести и прочности, уменьшает пластичность и вязкость и повышает порог хладноломкости. Вредное влияние фосфора усугубляется тем, что он сильно склонен к ликвации. Поэтому количество в стали фосфора, так же как и серы, строго регламентируется. Азот и кислород образуют в стали хрупкие неметаллические включения (FeO, SiO2, AlN и др.), которые повышают порог хладноломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению и предел выносливости стали. Очень вреден растворённый в стали водород, который не только сильно охрупчивает сталь, но и приводит к образованию в крупных поковках флокенов.Они представляют собой очень тонкие трещины округлой формы, имеющие в изломе вид пятен серебристого цвета. Флокены возникают вследствие выделения внутри металла водорода. Они резко ухудшают свойства стали. Постоянные примеси марганец и кремний вводят в сталь при выплавке для раскисления. После выплавки в стали остаётся 0,3…0,8%Mn и до 0,4%Si. Кремний, растворяясь в феррите, значительно повышает предел текучести и снижает способность стали к холодной пластической деформации.
-
ТЕМА 12. Конструкционные и инструментальные стали По химическому составу стали делят на две большие группы: углеродистые и легированные. В зависимости от содержания углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (менее 0,3%C), среднеуглеродистые (0,3…0,7%C) и высокоуглеродистые (более 0,7%C). По содержанию легирующих элементов стали делят на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 5%, в среднелегированных их содержится 5…10%, а в высоколегированных — более 10%. В зависимости от основных легирующих элементов различают стали марганцовистые, хромистые, хромоникелевые и т.д. По качеству стали подразделяют на группы, отличающиеся содержанием вредных примесей. Стали обыкновенного качества обычно содержат до 0,050%S и до 0,040%P. В качественных сталях содержание серы и фосфора допускается не более 0,035% каждого. Высококачественные стали содержат не более 0,025%S и 0,025%P, а особовысококачественные — не более 0,015%S и 0,025%P. По степени раскисления. Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно, без выделения газов. Кипящие стали раскисляют только марганцем. В них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании стали частично удаляется в виде окиси углерода CO.. Полуспокойные стали занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими. Их раскисляют марганцем и небольшим количеством кремния. 12.1. Классификация сталей
-
По назначению стали делят на три основных группы: — конструкционные, предназначенные для изготовления конструкций, деталей машин и приборов; — инструментальные, из которых изготавливают режущий и измерительный инструмент, а также инструмент для холодного и горячего деформирования; — стали с особыми свойствами, обладающие специфическими магнитными, электрическими и другими характеристиками. Конструкционные стали должны: выдерживать большие нагрузки, то есть обладать высоким сопротивлением пластической деформации., прежде всего высоким пределом текучести; иметь достаточную пластичность, ударную вязкость, высокое сопротивление хрупкому разрушению. обладать высоким сопротивлением усталости; высокой износостойкостью; -иметь хорошие технологические свойства (легко обрабатываться резанием и давлением, хорошо свариваться). 12.2. Требования к конструкционным сталям
-
Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Легирующие элементы, обозначаемые буквами русского алфавита: хром - X, никель - Н, молибден - М, вольфрам - В, кобальт - К, титан – Т, марганец - Г, медь - Д, ванадий - Ф, кремний - С, фосфор - П, алюминий –Ю, кобальт-К, бор – Р, ниобий - Б, цирконий - Ц, азот - А. Цифры после буквы указывают примерное содержание данной добавки в процентах округленное до целого числа. Если после буквы не стоит цифра, то это означает, что количество элемента меньше или около 1,0 %. Количество легирующих элементов, если они превышают 1,0 %, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Пример, сталь марки 18ХГТ содержит около 0,18 % углерода; 1,0 % хрома, 1,0 % марганца и около 0,1 % титана. У стали, легированной азотом, букву А ставят в середине обозначения марки, например 15X17ATI4. Если буква А она поставлена в конце марки, это говорит о том, что сплав высококачественный – 30ХГСА. Буква - А, находящаяся в начале марки, указывает, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости, например, А35Г2. 12.3. Маркировка конструкционных сталей
-
12.4. Основные группы конструкционных сталей Улучшаемые стали Содержат 0,3…0,5%C и подвергаются закалке на мартенсит и высокому отпуску. Такая обработка, при которой формируется структура сорбита отпуска, позволяет получить наилучшее сочетание прочности, пластичности, вязкости и сопротивления хрупкому разрушению. Легирование таких сталей должно обеспечить нужную прокаливаемость и требуемый комплекс механических свойств после отпуска. Для изготовления небольших деталей используют стали, содержащие 0,7…1,0%Cr (30Х, 40Х, 50Х и др.) Хромистые стали характеризуются небольшой прокаливаемостью. Введение в хромистую сталь 0,1…0,2%V (40ХФА) способствует измельчению зерна аустенита и приводит к повышению механических свойств. Совместное легирование хромом (0,9…1,0%) и марганцем (0,9…1,2%) позволяет получить стали повышенной прокаливаемости (30ХГ). Для хромокремнемарганцевых сталей (хромансилей), содержащих 0,9…1,2%Si, характерна повышенная прочность и умеренная вязкость (20ХГС, 30ХГС). Хромоникелевые стали 30ХН, 40ХН, 50ХН имеют примерно такую же прокаливаемость, как и хромомарганцевые стали, но, благодаря присутствию никеля, отличаются бо´льшей вязкостью и более низким порогом хладноломкости. Сталь марки 38ХН3МФА относится к группе улучшаемых сталей с наибольшей прокаливаемостью. Из неё изготавливают наиболее ответственные тяжелонагруженные детали большого сечения.
-
Цементуемые стали Цементации подвергают в основном стали, содержащие 0,10…0,25%C. Закалка с последующим низким отпуском позволяет получить в поверхностном слое высокую твёрдость 58-62 HRC и износостойкость. Вязкость деталей обеспечивается относительно мягкой (незакаленной) сердцевиной. Химико-термической обработкой (ХТО) называют поверхностное насыщение стали некоторыми химическими элементами, а именно неметаллами и металлами (например, углеродом, азотом, алюминием, хромом и др.) путем их диффузии в атомарном состоянии из внешней среды при высокой температуре. Цементация - процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом с целью повышения работоспособности деталей машин (всевозможные шестерни, зубчатые муфты и втулки, пальцы), испытывающих в процессе эксплуатации статические, динамические и переменные нагрузки и подверженных изнашиванию.
-
Цементации подвергаются хромистые стали15Х, 20Х. При закалке в масле после цементации в сердцевине деталей, изготовленных из этих сталей, образуется бейнит, что способствует повышению прочностных характеристик. Для изготовления деталей ответственного назначения, испытывающих при эксплуатации большие динамические нагрузки используют хромоникелевые стали12ХН3А, 12Х2Н4А и др. Они имеют не только большую прокаливаемость, но и повышенную вязкость цементованного слоя и сердцевины и низкий порог хладноломкости. Вместо дорогих хромоникелевых сталей, содержащих остродефицитный никель, используют хромомарганцевые стали типа 18ХГТ. Эти стали имеют меньшую вязкость, чем хромоникелевые. Они содержат небольшое количество титана (0,03…0,05%), который обеспечивает образование карбида титана, тормозящего рост аустенитного зерна при температурах цементации
-
Подшипниковые стали Стали, предназначенные для изготовления деталей подшипников, должны обладать высокой твёрдостью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости. Этим требованиям удовлетворяют высокоуглеродистые заэвтектоидные стали, легированные хромом, который обеспечивает повышение прокаливаемости. Наиболее широкое применение получила сталь ШХ15, содержащая 0,95…1,05%C и 1,3…1,65%Сr. Её подвергают сфероидизирующему отжигу, при котором формируется структура зернистого перлита. Окончательная термическая обработка заключается в закалке от 830…860°C в масле и отпуске при 150…200 °C, после чего твёрдость должна быть на уровне 60…64 HRC. Пружинные стали Стали, применяемые для рессор и пружин, должны иметь высокие пределы упругости и пределы выносливости при достаточной пластичности и вязкости. Такой комплекс свойств обеспечивают стали с 0,5…0,7%C со структурой троостита отпуска, для чего их подвергают закалке на мартенсит и последующему среднему отпуску при 400…480°C. Наиболее часто для изготовления пружинных элементов используют стали с кремнием 50С2, 60С2А, 70С3А и др. Кремний задерживает распад мартенсита при отпуске и упрочняет феррит, что обеспечивает после термической обработки высокий уровень пределов упругости и текучести
-
Стали с повышенной обрабатываемостью резанием Существует группа сталей повышенной обрабатываемости резанием, или автоматных сталей, использование которых позволяет производить обработку резанием с большими скоростями, снизить расход инструмента и улучшить чистоту обработанной поверхности. К таким сталям относят стали с высоким содержанием серы и фосфора, а также легированные свинцом и кальцием. В автоматных сернистых сталях (0,08…0,35%S и 0,05…0,15%P) (А12, А20 и др.) образующиеся сульфиды марганца способствуют в процессе резания образованию микротрещин и облегчают формирование короткой и ломкой стружки В свинецсодержащихсталях с 0,1…0,3%Pb (АС14, АС12ХН и др.) частицы свинца в процессе резания плавятся и, образуя жидкую плёнку в месте контакта стружки с резцом, оказывают смазывающее действие. Кроме того, эти частицы, подобно сульфидам, способствуют диспергированию стружки
-
Коррозионностойкие стали Коррозионностойкими (нержавеющими) называют стали, которые способны сопротивляться коррозионному воздействию агрессивной среды. Основной легирующий элемент коррозионностойких сталей — хром. При его содержании свыше 12% возникает высокая устойчивость против коррозии. В зависимости от легирования коррозионностойкие стали подразделяются на хромистые и хромоникелевые Хромистые стали. Из этой группы сталей наиболее широко применяются стали, содержащие 12…14%Cr и 0,1…0,4%C (12Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13). Они имеют удовлетворительную стойкость против коррозии в атмосферных условиях, в слабых растворах кислот, солей и других слабоагрессивных средах при комнатной температуре. Для получения нужного комплекса свойств хромистые стали подвергают закалке на мартенсит и отпуску. Хромоникелевые стали. Основную группу этих сталей составляют стали типа 18–10, содержащие около 18% хрома и 10% никеля (12Х18Н9, 10Х18Н10Т) Легирование никелем — элементом, расширяющим γ-область, приводит к тому, что стали 18–10 становятся аустенитными. Хромоникелевые аустенитные стали имеют высокую пластичность, хорошо штампуются и свариваются и по сравнению с хромистыми сталями могут работать в более агрессивных средах. Кроме того, эти стали немагнитны. Они широко используются в качестве конструкционного коррозионностойкого материала в различных отраслях машиностроения
-
Жаростойкие стали Под жаростойкими (окалиностойкими) понимают стали, устойчивые при высоких температурах к газовой коррозии. Их применяют для изготовления изделий, работающих при температурах выше 550°C в ненагруженном и малонагруженном состоянии. Легирование жаростойких сталей должно обеспечить во время окисления образование плотных и прочных плёнок оксидов с низкой диффузионной проницаемостью. Основными легирующими элементами сталей данной группы являются хром, кремний и алюминий. Хром и алюминий повышают жаростойкость благодаря образованию оксидов Cr2O3, Al2O3 и двойных оксидов типа шпинелей FeO·Cr2O3, FeO·Al2O3. Добавка кремния повышает жаростойкость стали благодаря образованию защитного слоя силикатов 2FeО·SiO2. В качестве жаростойких материалов используют высокохромистые стали, содержащие 17…28%Cr и имеющие ферритную структуру (08Х17Т, 15Х25Т, 15Х28, 05Х25Ю5). В промышленности используются также жаростойкие хромоникелевые стали с аустенитной структурой (20Х23Н18, 20Х25Н20С2) Эти стали не только жаростойки, но и жаропрочны. Максимальная температура применения хромоникелевых сталей 1000…1050°C.
-
Жаропрочные стали Под жаропрочностью понимают способность металлов сопротивляться деформации и разрушению при длительном воздействии нагрузок при повышенных температурах. Пути повышения жаропрочности Повышение сил межатомного взаимодействия. за счет легирования. Чем они выше, тем выше температура плавления , порог рекристаллизации и сопротивление ползучести. Создание структур с дисперсными частицами упрочняющих фаз, затрудняющим движение дислокаций Использование материалов с крупным зерном , препятствующим зернограничному скольжению, зарождению пор и трещин и повышающим сопротивление ползучести Новые механизмы деформации -зернограничное проскальзывание и ползучесть До 450°C пригодны обычные углеродистые стали. Для работы при температурах 450…600°C используют низкоуглеродистые легированные стали с ферритной основой. Они получили название теплоустойчивых сталей (12Х1МФ и 15Х1М1Ф). Молибден повышает силы связи. Ванадий образует стойкие карбиды.
-
Для работы при температурах 600…750°C используют аустенитные стали. Имея ГЦК решётку, они характеризуются бо´льшей жаропрочностью, чем стали на базе α-железа с ОЦК решёткой. Одна из основных причин такого эффекта — меньшая диффузионная подвижность атомов в аустените, чем в феррите. Основными легирующими элементами в аустенитных сталях являются хром и никель. Стали содержат не менее 12% хрома, что обеспечивает значительное упрочнение твёрдого раствора и высокое сопротивление окислению. Чтобы получить стабильную аустенитную структуру, в стали добавляют 10…12% и более никеля. Дополнительно стали легируют Mo, W, V, Ti, Nb и другими элементами. Создание многокомпонентного высоколегированного аустенита обеспечивает высокие жаропрочные свойства. Кроме того, введение карбидообразующих элементов обеспечивает образование дисперсных упрочняющих фаз, присутствие которых также повышает жаропрочность. Аустенитные стали с карбидным упрочнением: 45Х14Н14В2М, 37Х12Н8Г8МФБ Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением: 10Х11Н20Т3Р Примеры: Гомогенные аустенитные стали: 12Х18Н10Т, 10Х18Н12Т Термическая обработка: нагрев до температур 1150…1200°C, закалке в воде или на воздухе и последующем старении при 650…800°C. Основными упрочняющими карбидными фазами являются карбиды ванадия (VC) и хрома. Термическая обработка: закалка от 1100…1150°C на воздухе или в масле и старению при 700…750°C. Во время старения из аустенита этой стали выделяется фаза Ni3Ti.
-
12.5. Инструментальные стали Стали для режущего инструмента Должны обладать высокой твёрдостью, износостойкостью, прочностью и достаточной вязкостью. Процесс резания сопровождается разогревом рабочей кромки инструмента. Поэтому стали должны обладать теплостойкостью, под которой понимают способность материала сохранять высокую твёрдость в течение длительного времени при повышенных температурах Углеродистые стали У7, У8, …, У12 образуют группу материалов с низкой теплостойкостью: у них высокая твёрдость сохраняется до температур нагрева 200…250°C. Цифра в маркировке означает содержание углерода в десятых долях процента. Окончательная термическая обработка заключается в закалке в воде и низком отпуске при 150…200°C. Такая обработка позволяет получить на рабочих кромках инструмента твёрдость 62…64 HRC Заэвтектоидные легированные стали 9ХФ, 9ХС, ХВГ имеют большую прокаливаемость и пригодны для изготовления инструмента большего сечения
-
Быстрорежущие стали (Р18, Р9, Р6М5 и другие) сохраняют высокую твёрдость при нагреве до 600…640°C. Их применяют для изготовления инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Быстрорежущие стали содержат от 0,7 до 1,1% углерода и легированы вольфрамом, молибденом и ванадием. Находясь в мартенсите, они затрудняют его распад при нагреве. В зависимости от марки стали содержание вольфрама колеблется от 6 до 18%; содержание молибдена обычно не превышает 5%. Образуя дисперсные твёрдые карбиды, ванадий обеспечивает при отпуске дополнительное повышение твёрдости (дисперсионное твердение). Твёрдые сплавы — это сплавы, изготовленные методом порошковой металлургии из карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), соединённых кобальтовой связкой. Они сочетают высокую твёрдость (74…76 HRC) и износостойкость с высокой теплостойкостью и применяются для резания с высокими скоростями. Термообработка: Закалка и отпуск при 540…560°C. Пример: вольфрамовые сплавы системы WC–Co. Они маркируются буквами ВК, после которой указывается содержание кобальта в процентах: ВК3, ВК6, ВК8 и т.д. Вольфрамовые сплавы, в отличие от остальных, характеризуются бо´льшей прочностью, но более низкой твёрдостью; их теплостойкость достигает 800°C.
-
Высокохромистые высокоуглеродистые стали: Штамповые стали Х12М, Х12Ф1, Х12ВМ, Х6ВФ В этих сталях присутствует большое количество специальных карбидов (в основном Cr7C3), которые определяют высокую износостойкость. Стали повышенной вязкости: 4ХВ2С, 5ХВ2С и 6ХВ2С Стали, предназначенные для инструмента холодной обработки давлением, должны иметь высокую твердость, прочность и износостойкость в сочетании с удовлетворительной вязкостью. Стали, предназначенные для инструмента холодной обработки давлением подвергают закалке с последующим низким отпуском Стали, предназначенные для изготовления штампов горячего деформирования, должны иметь высокую твёрдость при повышенных температурах, теплостойкость, износостойкость и достаточную вязкость. Для изготовления штампов горячего деформирования используют легированные стали с 0,3…0,5% углерода, подвергаемые закалке и высокому отпуску. 5ХНМ. 4Х5МФС, 4Х4ВМФС, Примеры:
Нет комментариев для данной презентации
Помогите другим пользователям — будьте первым, кто поделится своим мнением об этой презентации.