Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
Чайковский филиал
Кафедра автоматизации, информационных и инженерных технологий
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Конспект лекций
Чайковский 2007 г.
Материаловедение Конспект лекций
Составил старший преподаватель Красильникова О.В.
Конспект лекций рассмотрен и одобрен на заседании кафедры АИИТ ЧФ ПГТУ «_____» ________ 2007 г., протокол № _______.
Заведующий кафедрой АИИТ
доц., канд. экон. наук _______________ Н.М. Якушев
Рассмотрены металлические и неметаллические конструкционные и инструментальные материалы. Дана информация об их строении, свойствах и области применения, характеристика механических, физических и технологических свойств.
Предназначено для студентов специальностей 080502 – Экономика и управление на предприятии в машиностроении, 220200 – Автоматизация и управление, 270102 – Промышленное и гражданское строительство, изучающих дисциплины «Материаловедение», «Технология металлов и сварка».
Введение
Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов и устанавливающая связи между их составом, строением и свойствами.
Все вещества могут состоять из атомов, молекул или ионов. Между атомами в твердых телах действуют силы притяжения и отталкивания. Первые удерживают атомы вместе, при этом образуется целостный материал, вторые не дают атомам слиться. Твердые тела (вещества) существуют при равновесии сил притяжения и отталкивания.
В зависимости от строения внешних электронных оболочек атомов могут образовываться различные виды связей:
1) ковалентная связь устанавливается в результате образования устойчивых соединений путем обобществления электронов определенными атомами. Например, молекула хлора Cl2. Ковалентной связью могут удерживаться не только одинаковые атомы, но и различные –С–Н–; –Si–C–.
Ковалентные связи характерны для пластмасс.
2) ионная связь – это связь между положительными и отрицательными ионами. Она присуща соединениям, образованным разнородными атомами и характерна для химических соединений. Например, NaCl = Na+ + Cl-.
3) металлическая связь присуща металлам. Находясь в узлах кристаллической решетки, положительно заряженные ионы совершают колебания относительно своего среднего положения. Со своими ближайшими соседями атомы связаны при помощи валентных электронов, называемых коллективизированными. Они могут свободно перемещаться, т.е. являются достоянием всех атомов данного металла, образуя «электронный газ».
Наличие «электронного газа» определяет электро- и теплопроводность, а отсутствие сильных направленных связей между атомами, характерных для ионного и ковалентного типов связи, определяет одно из важнейших свойств металлов – пластичность.
В природе существует две разновидности твердых тел:
1) аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.
Аморфное состояние можно рассматривать как переохлажденную жидкость с сильно пониженной подвижностью частиц.
2) кристаллические тела при нагреве сохраняют приданную им форму до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.
Кристаллические тела характеризуются упорядочным расположением в пространстве элементарных частиц, из которых они составлены.
1. Металловедение
Металловедение – наука, изучающая зависимость между составом, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения под воздействием внешних факторов: тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных.
Все металлы и сплавы принято делить на две группы: 1) железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) – черные металлы; 2) остальные металлы и их сплавы – цветные.
Цветные металлы по сходным свойствам подразделяют на легкие металлы (Be, Mg, Al, Ti), обладающие малой плотностью; легкоплавкие металлы (Zn, Cd, Sn, Sb, Hg, Pb, Bi); тугоплавкие металлы (Ti, Cr, Zr, Nb, Mo, W, V и др.), с температурой плавления выше чем у железа; благородные металлы (Ph, Pd, Ag, Os, Pt, Au и др.), обладающие химической инертностью; урановые металлы (U, Th, Pa) – актиноиды, используемые в атомной технике; редкоземельные металлы, лантоноиды (Ce, Pr, Nd, Sm, и др.), применяемые как присадки к различным сплавам; щелочноземльные металлы (Li, Na, K), используемые в качестве теплоносителей в атомных реакторах.
В технике применяют различные металлы и сплавы. Чтобы судить о пригодности данного металла или сплава для изготовления из него определенной детали, необходимо знать его свойства. Металлы харак теризуются физическими, химическими, механическими, технологи ческими и другими свойствами.
1.1. Кристаллическое строение металлов
Металлы и их сплавы в твердом состоянии являются кристалличес кими телами. Их свойства определяются структурой. Под структурой понимают внутреннее строение металлов и сплавов, которое характе ризуется определенным закономерным расположением атомов и моле кул, образующих кристаллическую решетку. Пространственное размещение атомов в кристалле может быть раз личным. Следовательно, и у металлов кристаллические решетки могут быть различными.
Наиболее распространенными считаются кристал лические решетки: кубическая объемно-центрированная (рис.1а), кубическая гранецентрированная (рис.1б), гексагональная плотноупакованная (рис.1 в).
Кубическую объемно-центрированную решетку имеют -железо, хром, ванадий, молибден, вольфрам и др.; кубическую гранецентрированную – -железо, алюминий, медь, никель, свинец и др.; гексагональную – цинк, магний, бериллий, кадмий и др.
Свойства кристаллической решетки в разных направлениях различны, это объясняется тем, что в разных кристаллографических плоскостях решетки располагается неодинаковое количество атомов. Различие свойств по разным направлениям называется анизотропией.
Рис.1. Кристаллические решетки металлов
Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах, или, как их называют, полиморфных модификациях. Это явление называется полиморфизмом. Каждая модификация имеет свою область температур, при которых она устойчива. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре принято обозначать буквой , при более высокой – , затем – и т.д. Например, Fe имеет решетку ОЦК до температуры 911; Fe имеет решетку ГЦК при температуре от 911 до 1392; Fe имеет решетку ОЦК при температуре от 1392 до 1539.
Важной физической характеристикой металлов являются температуры плавления и затвердевания его при охлаждении. Эти температуры называют критическими или критическими точками. Принято обозначать критические точки буквами Аr, при охлаждении железа и Ас при нагревании.
На рис. 2 показаны кривые охлаждения и нагревания чистого железа (для различия модификаций введены цифровые индексы). На диаграмме отображены превращения, происходящие в чистом железе при охлаждении и нагревании его, критические точки аллотропических превращений и модификаций. Наибольший интерес представляют две модификациижелеза и , имеющие кристаллические решетки соответственно в виде объемно- и гранецентрированного куба. Важное практическое значение имеет превращение -железа в модификацию , происходящее в процессе охлаждения металла при температуре 911° С. В результате такой перекристаллизации удается получить весьма мелкозернистое строение металла.
Рис. 2. Кривые охлаждения и нагревания железа
Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств металлов и сплавов.
1.2. Дефекты кристаллической решетки металлов
В кристаллических решётках реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Все дефекты решетки – это нарушение укладки атомов в решетки.
Различают следующие дефекты:
1) точечный – это дефект решётки малый во всех трех измерениях (вакансии (рис.3а), дислоцированный или межузельный атом (рис.3б), атом примеси (рис.3в)).
2) линейный дефект – это дефект малый в двух измерениях и сколь угодно протяженный в третьем (цепочки вакансий, межузельных атомов; краевая (рис.4а) и винтовая (рис. 4б) дислокации).
Дислокация – это особая конфигурация в расположении атомов. Дислокация образуется при сдвиге одной части кристалла относительно другой. Граница между участком, где скольжение уже произошло и участком в плоскости скольжения, в котором скольжение еще не произошло и будет дислокацией.
3) поверхностные дефекты – это дефекты, имеющие небольшую толщину при значительных размерах в двух измерениях (рис.5).
а) б) в)
Рис. 3. Точечные дефекты
Рис. 4. Краевая и винтовая дислокации
Рис. 5. Поверхностные дефекты
1.3. Кристаллизация металлов.
Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией.
При нагреве всех кристаллических тел, в том числе металлов, всегда наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же резкая граница существует и при переходе из жидкого состояния в твердое (рис. 6). Но ни плавление, ни кристаллизация не происходят при одинаковой температуре.
Рис. 6. Кривые нагрева и охлаждения
При температуре плавления (tпл) свободные энергии обоих состояний равны. Такую температуру называют равновесной или теоретической температурой кристаллизации.
Кристаллизация металла происходит при охлаждении металла до опреде ленной температуры (tкр), когда в нем образуются центры кристаллизации или мельчайшие кристаллические зародыши.
Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения (t), t = tпл - tкр.
Дальнейшее охлажде ние способствует группированию вокруг центров атомов и появлению новых зародышей. Пока кристаллы окружены жидкостью, процесс происходит свободно, они имеют правильную геометрическую форму; но наступает период, когда кристаллы сталкиваются друг с другом и со стенками изложницы и форма их нарушается. Таким образом, форма зерен зависит от условий прохождения процесса кристаллизации, характера и количества примесей в жидком металле. Существует зависимость числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов от степени переохлаждения (рис. 7).
При температуре плавления процесс кристаллизации не происходит. Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей точке а, то образуются крупные зерна. При переохлаждении, соответствующем точке в, образуется мелкое зерно. Если очень сильно переохладить жидкость (точка с), то жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело.
Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания приобретают древовидные, игольчатые, пластинчатые и другие подобные формы.
На рис. 8 приведена схема строения стального слитка, здесь 1 – зона мелких равноосных кристаллов, 2 – зона столбчатых кристаллов, 3 – зона крупных неориентированных кристаллов, 4 – усадочная раковина.
Рис. 7. Скорость роста кристаллов и число центров кристаллизации в зависимости от степени переохлаждения
Рис. 8. Строение металлического слитка
Различают макро- и микро-структуру металлов и металлических сплавов. Макроструктура – строение металла, которое можно вы явить невооруженным глазом при небольшом увеличении с помощью лупы. Для изучения макроструктуры и выявления дефектов, имеющих ся в металле и сплаве, применяют макроанализ. Микроструктура – кристаллическое строение металлов и сплавов, которое можно выявить металлографическим анализом металла и сплава при значительном увеличении с помощью металлографического микроскопа (увеличение от 10 до 2500 раз) или электронного микроскопа (увеличение до 25 000 раз).
Структура металлов и сплавов зависит от химического состава, спо соба обработки и выплавки. Для определения структуры изготовляют микрошлиф, поверхность которого рассматривают под микроскопом. Форма и размеры зерен позволяют определить структуру. Такой метод исследования внутреннего строения называют металло графическим анализом металлов и сплавов. К способам контроля и ис следования металлов и сплавов относят макро- и микроанализ, рентге носкопию и другие виды анализов.
1.4. Механические свойства металлов и методы их определения
Для сравнения качественных характеристик металлы испытывают на прочность, твердость, ударную вязкость и другие механические свойства.
Прочность – способность материалов сопротивляться деформациям и разрушению. Упругость – способность материалов возвращаться в первоначальное состояние по прекращении действия силы, вызывавшей изменение положения, формы и объема. Пластичность – способность материалов получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. Твердость – способность материалов сопротивляться проникновению в его поверхность другого стандартного тела, не деформирующегося при испытании. Ударная вязкость – способность материалов сопротивляться динамическим нагрузкам – ударам. Выносливость – способность материала выдерживать повторные или знакопеременные нагрузки.
Для определения прочности проводят испытания на растяжение специально приготовленных образцов из материала, подлежащего испытанию. Образцы изготовляют круглого или прямоугольного сечения установленных стандартом размеров. Приготовленные образцы зажи мают в захваты разрывной машины и постепенно растягивают со все возрастающей силой Р. По полученным значениям нагрузки Р и удлинениям образца l строят диаграмму растяжения (рис. 9), которая показывает зависимость между растягивающей нагрузкой Р и вызываемой этой силой деформацией.
Рис. 9. Диаграмма растяжения углеродистой стали.
Диаграмма растяжения справедлива только для пластичных материалов. Хрупкие материалы испытывают на сжатие и строят диаграмму их сжатия.
Под деформацией понимают изменение образца по форме и длине. Деформацию называют упругой, если по прекращении действия внешних сил восстанавливается форма и длина, и пластической (остаточной), если после снятия нагрузки не происходит восстановления формы и длины. Может также произойти разрушение.
Силу Р, которую может выдержать металл, называют разрывной, а прочность при этой силе будет предельной; ее называют пределом прочности или временное сопротивление разрушению в (МПа) и определяют по формуле
в=Р/F0,
где F0 - начальная площадь сечения образца, мм2.
Полученный предел прочности на разрыв считается тем условным напряжением, которое может выдержать металл.
На диаграмме показаны точки, которые, кроме предела прочности, соответствуют пределу пропорциональности пр, пределу упругости у и пределу текучести т.
Пределом пропорциональности пр – это напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между нагрузкой и деформацией.
Предел упругости у (0,05) – это напряжение, вызывающее остаточную деформацию до 0,05% от начальной длины образца. Практически для металлов величины пределов пропорциональности и упругости почти совпадают и их принимают одинаковыми.
Тангенс угла () наклона прямой ОВ к оси абсцисс характеризует модуль упругости материала (Е). Модуль упругости определяет жесткость материала, т.е. сопротивление материала упругой деформации.
Предел текучестит – это наименьшее напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение без заметного увеличения нагрузки. Обычно в справочной литературе дается условный предел текучести (0,2), который представляет собой напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% начальной расчетной длины образца.
Пластичность металлов выражают:
- изменением длины образца по отношению к первоначальной длине:
где - относительное удлинение образца, %; lk - длина образца после разрыва, мм; l0 - первоначальная расчетная длина образца, мм.
- изменением площади поперечного сечения образца:
,
где - относительное сужение, %; F0 – начальная площадь поперечного сечения образца, мм2; F1 – конечная площадь поперечного сечения образца после разрыва, мм2.
Испытания на твердость производят путем вдавливания в поверхность испытуемого металла стального шарика (метод Бринелля), алмазного конуса (метод Роквелла) или алмазной пирамидки (метод Виккерса).
Различные методы определения твердости применяют потому, что металлы имеют неодинаковую твердость, металлические изделия – разную толщину, а приборы – разную производительность. О величине твердости судят по величине отпечатка на металле (рис. 10).
Рис. 10. Методы определения твердости.
Между твердостью и прочностью существует некоторая зависимость, которую приближенно можно записать в таком виде:
B=kHB,
где k - коэффициент пропорциональности.
Ударная вязкость н (KCU, KCV) [Дж/м2] характеризует прочность металла при воздействии на него ударной (мгновенной) нагрузки. По величине она равна работе, затраченной на разрушение образца, отнесенной к единице площади сечения:
н =A/F,
где A – работа, необходимая для разрушения образца, Дж; F – площадь поперечного сечения образца, м2. Испытание проводят на маятниковом копре, рабочим органом которого является массивный маятник, имеющий значительное плечо.
При этих же испытаниях устанавливают склонность материала к переходу из вязкого состояния в хрупкое. Один и тот же материал может разрушаться как по хрупкому, так и по вязкому механизму. Температурный интервал изменения характера разрушения называется порогом хладноломкости или критической температурой хрупкости. Хладноломкость – это склонность материала к переходу в хрупкое состояние при понижении температуры.
Испытание на усталость проводят на специальных машинах, позволяющих вращать круглые образцы и прикладывать знакопеременную нагрузку. Усталость – это процесс постепенного накопления повреждения металла под действием повторно-переменных напряжения, приводящих к образованию трещин и разрушению. Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью. Предел выносливости -1 – это наибольшее напряжение, которое выдерживает материал без разрушения при бесконечно большом числе циклов нагружения.
1.5. Физические свойства металлов
Физические свойства металлов – это плотность, электропроводность, явление ферромагнетизма, температурный коэффициент линейного расширения, теплопроводность и т.д.
Плотность () – это масса единичного объема вещества, т.е. масса которого при объеме 1м3 равна 1 кг.
Электропроводность – способность материала проводить электрический ток.
По магнитным свойствам материалы делятся на парамагнитные (не магнитные) и ферромагнитные (магнитные) материалы.
Теплопроводность – перенос энергии от боле нагретых участков тела к менее нагретым. Коэффициент теплопроводности , численно равный количеству теплоты, переносимому через единицу поверхности за единицу времени, при градиенте температуры, равном единице (Вт/мС).
Тепловое расширение – способность материала расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. Коэффициент линейного расширения l характеризует относительное удлинение, происходящее при нагревании тела на один градус (10-6 1/С).
Теплоемкость – способность материала при нагревании поглощать определенное количество теплоты. Удельная теплоемкость С – теплоемкость единицы массы однородного вещества (Дж/кгС).
Теплостойкость – способность материала противостоять действию высоких температур. Характеризуется температурой, при которой изменяются свойства материала или наступает опасная деформация.
Хладостойкость – способность материала противостоять действию низких температур.
1.6. Технологические свойства металлов и методы их определения
К технологическим свойствам металлов относятся: свариваемость, обрабатываемость резанием, литейные свойства, пригодность металла к пластической деформации, флокеночувствительность, отпускная хрупкость, и т.д.
Свариваемость сталей и сплавов является комплексной характеристикой, определяющейся, с одной стороны, технологическими трудностями, возникающими при сварке, и с другой стороны, эксплуатационной надежностью сварных соединений. Характеристика свариваемости состоит из трех частей: 1) группа свариваемости (сталь свариваемая без ограничений, ограниченно свариваемая, трудносвариваемая, не применяемая для сварных конструкций); 2) необходимость дополнительных технологических операций при сварке; 3) рекомендуемые способы сварки.
Оценка обрабатываемости резанием сталей производится по скорости резания, соответствующей шестидесятиминутной стойкости резцов V60 и выражается коэффициентом по отношению к эталонной стали Vэт
.
За эталонную сталь принята углеродистая сталь 45 (В = 650 МПа, 179НВ).
Технологичность при литье оценивается: 1) жидкотекучестью – характеризует способность материала заполнять литейную форму; 2) усадкой – изменение объема при затвердевании; 3) трещиностойкостью. Для оценки литейных свойств сталей в качестве эталона принята сталь 30Л.
Технологическое качество материалов, пригодных к пластической деформации, определяют испытанием их на пригодность для обработки тем или иным способом. Например, испытанием на удлинение определяют пригодность тонких листов для холодной штамповки, вытяжки и т. д. Металл считается пригодным, если после его продавливания в углублении, образовавшемся в пластинчатом образце, отсутствуют трещины и надрывы.
Другим способом определения пригодности металла к пластической деформации является проба его на изгиб. Этим способом испытываются листы, прутки, профильный материал, сварные соединения и т. д. Пластические свойства металла определяют по углу изгиба, при котором в металле появляются первые трещины. Наилучшим считается результат, когда в металле отсутствуют трещины после его изгиба на 180°. Пластичность проволоки определяют пробой на закручивание, для чего образец в холодном состоянии закручивают, а потом раскручивают. Пригодность проволоки определяют по наличию после испытания трещин, расслоения и т. д.
Характеристику ковочных свойств проводят по механическим свойствам в зависимости от температуры испытания в интервале ковочных температур и критерию ковкости. Критерий ковкости, являющийся комплексным показателем, характеризует способность металла к ковке:
, % / МПа.
При К 0,01 сталь не куется; при 0,01 К 0,3 – ковкость низкая; при 0,3 К 0,8 – ковкость удовлетворительная; при 0,8 К 2 – ковкость хорошая; при К 2 – ковкость отличная.
Флокеночувствительность относится к крупным поковкам и прокату диаметром или сечением более 100 мм. Флокены – дефекты внутреннего строения стали в виде очень тонких трещин овальной или округлой формы. По флокеночувствительности все марки стали условно разбиты на четыре группы: 1) нефлокеночувствительные, 2) малофлокеночувствительные, 3) флокеночувствительные, 4) повышенной флокеночувствительности.
Отпускная хрупкость проявляется в снижении ударной вязкости при медленном охлаждении или при длительной эксплуатации деталей в интервале температур 450…650С.
1.7. коррозия металлов
Коррозией называется процесс разрушения металла под влиянием химического или электрохимического воздействия внешней среды. В зависимости от характера процесса различают коррозию химическую и электрохимическую.
Химическая коррозия заключается в разрушении металла в среде сухих газов или жидкостей – диэлектриков, не проводящих электрического тока, например масла, бензин, керосин, нефть и т. д. Такой коррозией является окисление металла в термических печах, разрушение металла в керосине и т.д.
Электрохимической коррозией называется разрушение металла в электролите с возникновением электрического тока. Металл поражается такой коррозией в растворах солей, а также в воде и влажной среде.
Виды коррозионных разрушений:
- равномерная (общая или сплошная) коррозия – металл корродирует с одинаковой скоростью по всей поверхности;
- неравномерная (также сплошная) коррозия протекает с неодинаковой скоростью на различных участках поверхности многофазного сплава в зависимости от рода структурных составляющих и наличия дефектов на поверхности детали;
- местная (локальная) – происходит лишь на отдельных участках поверхности металла, и, как правило, начинается в местах, где нарушается целостность покрытия.
Разновидности местной коррозии:
- коррозия пятнами заключается в образовании местных повреждений незначительной глубины;
- точечная коррозия – разрушение наблюдается на очень малой поверхности в виде отдельных точек и имеет в отдельных случаях сквозной характер;
- межкристаллитная коррозия – разрушение протекает по границам отдельных зерен металла и приводит к резкому ухудшению механических свойств;
- коррозия язвами – начинается на поверхности и распространяется под поверхностью, вызывая расслоение и вспучивание металла;
- избирательная коррозия разделяется на два вида: 1) структурно-избирательная (растворение феррита), 2) компонентно-избирательная (наблюдается у латуней).
Для защиты металла от коррозии существует много различных способов, которые можно разделить на две группы: 1) способы защиты, основанные на изоляции поверхности металла от внешней среды; 2) способы защиты, основанные на искусственном повышении коррозионной стойкости металла.
1.8. Понятие о металлических сплавах
В технике преимущественно используют сплавы – сложные по составу вещества, получаемые сплавлением нескольких металлов вследствие их диффузии, т. е. взаимного проникновения частиц. Достоинством сплавов является возможность придания им разнообразных свойств, которыми не обладают чистые металлы.
Каждую составляющую сплава называют компонентом. Число составляющих может быть равно двум, трем, четырем и более, а поэтому и сплавы бывают двух-, трехкомпонентные и т. д.
Главным условием образования сплава является возможность получения однородного жидкого раствора при сплавлении компонентов. При этом в сплаве образуются новые однородные тела, которые называются фазами. В процессе образования сплава при сплавлении компонентов можно получить их механическую смесь, химическое соединение, твердые растворы или электронные соединения.
Сплав – механическая смесь образуется в случае, когда компоненты не смешиваются и не способны образовать химическое соединение. В жидком состоянии они могут расслаиваться в зависимости от плотности
Сплав – химическое соединение получается вследствие химической реакции, образуя решетки, непохожие на решетки входящих компонентов. Такой сплав имеет определенную химическую формулу.
Сплав – твердый раствор образуется в случае, когда компоненты хорошо смешиваются, взаимно растворяются в жидком состоянии, превращаясь в однородную смесь, сохраняя однородность и в твердом состоянии.
Сплав – электронное соединение является промежуточным между сплавами химическим соединением и твердым раствором. Его можно получить при сплавлении Сu, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Pd, Pb и Be, Zn, Cd, Al, Sn, Si с образованием таких сплавов, как, например, Си - Zn, Сu - Sn, Сu - Al и т. д.
Некоторые сплавы представляют собой смеси из твердых растворов и химических соединений. Например, для рассматриваемых ниже железоуглеродистых сплавов такими смесями являются перлит и ледебурит.
1.9. Диаграмма состояния железо-цементит.
На диаграмме состояния железо-цементит показано все разнообразие превращений, происходящих в сплавах от чистого железа до цементита, содержащего 6,67% углерода, при температурах от комнатной до температуры плавления железа и цементита. Цементит Fe3С – химическое соединение железа с углеродом, которое образуется при кристаллизации сплава, содержащего 93,33% Fe и 6,67% С. Диаграмма имеет большое практическое применение при термической обработке и обработке металлов давлением.
На упрощенной диаграмме (рис. 11) по оси ординат отложены температуры, а по оси абсцисс – процентное содержание углерода в сплаве железо – углерод.
Рис. 11. Диаграмма состояния железо-цементит
Диаграмма ограничена левой и правой ординатами, на которых имеются следующие критические точки:
A – соответствует температуре 1539°С,
G – 911°С (левая ордината соответствует 100%-ному содержанию железа),
D – 1600°С, F – 1147°С,
K = 727°С (правая ордината соответствует 100%-ному содержанию Fe3С). Содержание углерода в сплаве 6,67% принимается предельным по таким соображениям: сплавы с большим содержанием углерода в промышленности применения не имеют, а указанное содержание углерода в сплаве соответствует образованию цементита.
Критические точки на диаграмме:
Р – отвечает температуре 727°С с содержанием углерода 0,025%,
S – 727°С с содержанием углерода 0,8%;
Е – 1147°С с содержанием углерода 2,14%;
С – 1147°С с содержанием углерода 4,3%:
K – 727°С с содержанием углерода 6,67% и F – 1147°С с содержанием углерода 6,67%.
Область диаграммы влево от вертикальной линии, отвечающей содержанию углерода, равному 2,14%, характеризует стали, а вправо – чугун.
В верхней части диаграммы имеется линия ACD, соответствующая температурам, выше которых сплавы с любым содержанием углерода (от 0 до 6,67%) находятся в жидком состоянии. Эта же линия соответствует температурам начала затвердевания жидких сплавов. Линия ACD является линией ликвидус, а линия AECF – солидус. Линии GSE и PSK диаграммы – области затвердевающего сплава – объясняют происходящие изменения структуры в системе сплава в твердом состоянии. В процессе охлаждения в сплавах происходят внутренние преобразования, при которых изменяется структура сплава.
Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов в металлографии имеют особые названия и обладают характерными свойствами. К их числу относятся феррит, графит, цементит, аустенит, перлит и ледебурит.
Феррит – твердый раствор внедрения углерода в железо-альфа (Fe). Феррит обладает небольшой прочностью, невысокой твердостью (НВ 80 – 100), сравнительно небольшой вязкостью и до температуры 768°С магнитными свойствами.
Графит – одно из видоизменений углерода. Углерод в виде тончайших пластинок графита выделяется при медленном охлаждении чугуна (так называемый серый чугун).
Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом Fe3С и иначе называется карбидом железа. Цементит обладает весьма высокой твердостью (около НВ 800), очень хрупкий и содержит по массе 6,67% углерода. Таким образом, предельное содержание углерода, принятое при построении диаграммы, соответствует цементиту.
Аустенит представляет собой твердый раствор внедрения углерода в железо-гамма (Fe), образующийся при содержании углерода в сплаве до 2,14%. В стали аустенит существует только при высокой температуре (свыше 727° С). При медленном охлаждении сплава аустенит распадается на феррит и цементит. При быстром охлаждении аустенит не успевает распасться. Частичный распад аустенита дает промежуточные структуры сплава — мартенсит, троостит и сорбит. Эти промежуточные структуры представляют наибольший интерес при рассмотрении термической обработки.
Перлит – это механическая смесь (эвтектоид), состоящая из мелких различных размеров пластинок цементита в ферритной основе. Перлит образуется при распаде аустенита, содержащего 0,8% углерода. Пер лит обладает достаточно высокой вязкостью и невысокой твердостью (около НВ 200).
Ледебурит представляет собой механическую смесь аустенита и цементита при содержании углерода в сплаве 4,3%. Такую смесь называют эвтектикой. Ледебурит обладает высокой твердостью и хрупкостью (так называемый белый чугун).
Температура плавления сплава по мере увеличения содержания углерода понижается (линия АС), достигая наименьшего значения в точке С, соответствующей 1147°С; для сплава с содержанием углерода 4,3% при дальнейшем увеличении содержания углерода повышается (линия CD), достигая 1600°С при содержании углерода 6,67% (см. рис. 11).
Линия AECF соответствует температурам конца затвердевания жидкого сплава. Если сплав содержит углерода меньше 4,3%, затвердевание его происходит в интервале температур между линиями АС и АЕС, при этом из сплава выделяются кристаллы твердого раствора аустенита. Если в сплаве содержание углерода больше 4,3%, то он затвердевает между линиями CD и CF, при этом выделяются кристаллы цементита. Ниже линии AECF все сплавы находятся в твердом состоянии в виде стали или чугуна. При дальнейшем охлаждении стали аустенит начинает распадаться, выделяя феррит или цементит, в зависимости от содержания углерода. Начало распада аустенита происходит в зависимости от содержания углерода при температурах, соответствующих линии GSE, и заканчивается при одной и той же температуре (727°С) для всех сплавов независимо от содержания углерода, что показано на диаграмме прямой РК. Линия PSK называется эвтектоидной, ниже ее превращения в сплавах не происходят. При содержании в стали углерода 0,8% аустенит в точке S преобразуется в перлит. В соответствии с этим сталь такого класса называется перлитной или эвтектоидной, а точка называется эвтектоидной. При содержании углерода менее 0,8% в области между линиями GS и PS из аустенита будет вы деляться феррит до тех пор, пока концентрация углерода не достигнет 0,8%, после чего оставшийся аустенит перейдет в перлит при температуре 727°С.
Таким образом, структура стали, содержащей углерода менее 0,8%, будет состоять из механической смеси феррита с перлитом. Если содержание углерода в аустените больше 0,8%, то в области между линиями SE и SK, из аустенита будет выделяться цементит, в связи с чем процентное содержание углерода в аустените будет уменьшаться, и когда оно достигнет 0,8%, аустенит при температуре 727°С перейдет в перлит. Структура такой стали будет состоять из цементита и перлита. Сталь при достаточно медленном охлаждении может иметь одну из трех структур, зависящих от содержания в ней углерода: при содержании углерода до 0,8% структура стали представляет собой механическую смесь феррита и перлита; при содержании углерода 0,8% структура стали – перлит; при содержании углерода более 0,8% структура стали представляет смесь цементита с перлитом.
Однако такие структуры сталь приобретает лишь в случае медленного охлаждения. Если же сталь, нагретую выше линии GSE, охладить с достаточно большой скоростью, то распад аустенита не успевает произойти и в зависимости от скорости охлаждения сталь приобретает промежуточную структуру, не соответствующую диаграмме. Это свойство стали используют при термической обработке.
1.10. Чугун. Характеристика и классификация
В настоящее время для литья различных деталей на машиностроительных заводах наиболее употребительным материалом является чугун. Например, из него отливают станины станков, суппорты, зубчатые колеса, цилиндры, корпуса электродвигателей, плиты; детали швейных, печатных, счетных, сельскохозяйственных, текстильных и других машин.
Чугуном называется сплав железа, углерода, кремния, марганца и других веществ, содержащих 2,14 – 6,67% углерода. Чугун классифицируется в зависимости от химического состава, назначения, структуры и технологии получения.
Структура чугунов состоит из металлической основы и графитовых включений. По металлической основе чугуны классифицируются на ферритный, ферритно-перлитный и перлитный чугун. Характер металлической основы влияет на механические свойства чугунов.
Углерод, входящий в состав чугуна, может находиться в свободном состоянии в виде отдельных частиц графита, вкрапленных между зернами железа, и в химически связанном состоянии – в виде карбида железа Fe3С (цементита). Благодаря графитным включениям чугуны хорошо обрабатываются резанием, имеют высокую износостойкость, хорошие демпфирующие и антифрикционные свойства, высокие литейные свойства и низкую пластичность.
В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в чугуне, различают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугун.
Если чугун заливают в песчаные формы, то его структура приобретает вид серого чугуна, а при быстром охлаждении (литье в металлические формы), при уменьшенном содержании кремния или повышенном содержании марганца получается структура белого чугуна.
Белый чугун – чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии, в основном в форме цементита. Такой чугун в изломе имеет белый цвет и металлический блеск. Этот чугун имеет большую твердость, и как следствие этого, очень хрупкий.
Белый чугун специальной обработкой можно превратить в ковкий. Разновидностью белого чугуна является отбеленный чугун, который образуется при быстром охлаждении отливки. Отливки из такого чугуна (валки прокатных станов, вагонные колеса) имеют весьма твердый поверхностный слой с мягкой основной массой, т. е. структура белого чугуна постепенно переходит в серый.
Чугуны, содержащие легирующие примеси (никель, молибден, хром, ванадий, алюминий, титан и др.) или обычные примеси (кремний, марганец), но с повышенным их процентным содержанием, называются легированными.
Легирующие составляющие вводят в состав чугуна для получения отливок со специальными свойствами, например повышенной прочностью, ударной вязкостью, электросопротивлением, кислотостойкостью и т. д.
Серый чугун – чугун, в котором весь углерод или большая его часть находится в виде графита пластинчатой формы. Его излом имеет серый цвет.
Отливки из серого чугуна маркируют буквами СЧ и двузначным числом; буквы обозначают серый чугун; число – предел прочности при растяжении в кгс/мм2. Так, например, марка СЧ28 расшифровывается: серый чугун с прочностью при растяжении не менее 28 кгс/мм2 (280 МПа).
Применение необходимой марки определяется механическими свойствами.
Высокопрочный чугун – чугун с шаровидным графитом, который образуется в процессе кристаллизации. Высокопрочный чугун получают введением в жидкий серый чугун чистого магния или сплава его с никелем, медью, алюминием или кремнием. Количество вводимого магния равно 0,3-1% массы расплавленного металла. Если кроме магния в чугун вводят также и ферросилиций (0,6-2,2% массы металла), то его качество еще более улучшается. Модифицированием чугуна можно регулировать размеры и форму графитовых включений, изменяя физико-механические и технологические свойства чугуна. Маркируются чугуны буквами и двузначным числом, например, ВЧ50. Буквы ВЧ обозначают высокопрочный чугун, число - предел прочности на разрыв в кгс/мм2.
Применяют высокопрочный чугун для изготовления ответственных деталей, работающих при циклических нагрузках и в условиях сильного износа.
Ковкий чугун – чугун, в котором графит находится в форме хлопьев. Такая форма графита и является основной причиной высоких прочностных и пластических характеристик ковкого чугуна. Технология изготовления отливок из ковкого чугуна заключается в отжиге белого чугуна с содержанием кремния 0,5 – 1,2%, марганца не более 0,5 – 0,6% и углерода 2,1 – 3,1%
Обязательными характеристиками ковких чугунов является предел прочности и относительное удлинение, по которым маркируют ковкие чугуны. Так, например, марка КЧ37-12 расшифровывается следующим образом: ковкий чугун, предел прочности при растяжении в=370 МПа, относительное удлинение = 12%.
Ковкий чугун имеет различную структуру по сечению, поэтому толщина изготовляемых из него деталей не превышает 10 – 12 мм. Перлитные чугуны обрабатываются хуже, чем ферритные, поверхность деталей получается шероховатой. Ковкий чугун имеет поверхность с повышенной износостойкостью, поэтому на деталях из таких чугунов можно получить качественную поверхность резьбы.
Возможность нарезания на чугунных деталях резьбы позволяет использовать чугун для изготовления фитингов трубных соединений, тонкостенных деталей текстильных машин и т. д. Ковкий чугун, прошедший нормализацию, применяют как заменитель антифрикционных материалов.
1.11. Стали
Сталь, так же как и чугун, – сложный сплав с углеродом, но с меньшим содержанием углерода (до 2,14%) и примесей: кремния (до 0,4%), марганца (до 1,1%), фосфора (до 0,06%) и серы (до 0,07%). Сталь, как и чугун, относится к черным металлам.
Сталь можно ковать, прокатывать и отливать. Она имеет высокие механические характеристики, ее можно обрабатывать резанием, закаливать и т. д. В сравнении с чугуном сталь менее жидкотекучий и легкоплавкий металл, но вследствие высоких конструкционных качеств, благоприятного сочетания механических и технологических свойств широко применяется как основной конструкционный металл.
Основными классификационными признаками стали являются способ производства, химический состав, назначение, качество, форма и размеры заготовок.
1.11.1. Влияние элементов, входящих в сталь, на ее свойства
Углерод оказывает влияние на механические свойства стали. Чем выше содержание углерода, тем выше прочность и ниже пластичность стали. Углерод благоприятно влияет на жидкотекучесть стали. Повышение содержания углерода снижает образование трещин, газовых раковин и неметаллических включений, уменьшает пригар, снижает образование литейных напряжений и зональной ликвации.
Марганец при определенном соотношении ликвидирует вредное действие серы, увеличивает усадку, что может повлечь за собой образование горячих усадочных трещин, увеличивает жидкотекучесть и износостойкость.
Кремний при содержании более 0,5% легирует сталь, уменьшает теплопроводность, что приводит к увеличению объема усадочных раковин, термических повреждений, трещин, газовых раковин и неметаллических включений. В низкоуглеродистых сталях кремний повышает пластичность и вязкость, а высокоуглеродистая кремнистая сталь имеет повышенные прочностные свойства и пониженную пластичность. Отливки из этих сталей хорошо сопротивляются пластическим деформациям и износу; их применяют для бегунов кранов, деталей, работающих в абразивных средах и в условиях коррозионного действия кислот (за исключением соляной и фтористоводородной).
Фосфор снижает пластичность, вызывает хладноломкость, способствует ликвации в отливках с толщиной стенок более 100 мм.
Сера – вредная примесь, которая вызывает красноломкость, горячие трещины и значительно ухудшает другие свойства отливок. Однако небольшое количество серы улучшает обрабатываемость резанием, например, автоматной стали марок А12, А20 и т. д.
Содержание вредных примесей (серы и фосфора) в сталях допускается до 0,045%.
Никель легирует металл, увеличивает его прокаливаемость, повышает предел текучести и предел прочности (второй больше первого), уменьшает чувствительность к перегреву, повышает коррозионную стойкость, влияет на магнитные свойства (что зависит от процентного содержания), ухудшает литейные свойства, ускоряет затвердевание отливок, уменьшает теплопроводность, что ведет к образованию больших усадочных раковин и увеличению термических напряжений.
Хром легирует сталь, увеличивает прокаливаемость, способствует получению равномерной твердости по всему сечению, повышает сопротивление пластическим деформациям и понижает пластичность, повышает износостойкость, делает сталь коррозионно-стойкой, а при большом содержании – жаропрочной. Главным недостатком хромистой стали, при использовании ее для отливок является высокая вязкость, склонность к крупнокристальному строению, перегреву, что ведет к появлению усадочных раковин и трещин.
Молибден повышает отношение предела текучести к пределу прочности при растяжении, повышает прокаливаемость, понижает отпускную хрупкость и повышает сопротивление ползучести, несколько понижает жаропрочность.
Ванадий способствует образованию мелкозернистой структуры, повышает прочность и вязкость, а при температуре ниже 0°С – ударную вязкость.
Вольфрам повышает свойства инструментов, но дает усадочные раковины.
1.11.2. Конструкционные стали
Конструкционная сталь бывает углеродистой и легированной. Она служит для изготовления различных сооружений и инженерных конструкций, деталей машин, станков, крепежных и других изделий. Их делят на стали обыкновенного качества (ГОСТ 380), качественные стали (ГОСТ 1050), легированные стали (ГОСТ 4543).
Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества маркируется буквами Ст с рядом стоящими цифрами от 0 до 6. Чем больше цифра, тем больший процент углерода в стали, тем она тверже и прочнее с соответствующим снижением пластичности. Например, сталь марки Ст6 содержит 0,38 – 0,49% углерода с пределом прочности на растяжение 600 МПа, а сталь марки Ст1 содержит 0,06 – 0,12% углерода и имеет предел прочности 320 – 420 МПа.
В зависимости от условий и степени раскисления различают стали: спокойные, полуспокойные и кипящие. Степень раскисления обозначается добавлением индексов «сп», «пс», «кп» соответсвенно.
В зависимости от назначения и комплекса совйств стали подразделяют на группы: А, Б, В.
Сталь группы А поставляют по механическим свойствам. Их используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой.
Сталь группы Б поставляют по химическому составу. Их применяют для изделий, изготовляемых с применением горячей обработки (ковка, сварка, термическая обработка).
Стали группы В - по механическим свойствам и химическому составу.
Пример. Классификация конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества:
группа А – СтО, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, СтЗГпс;
группа Б – БСтО, БСт1кп, БСт1пс, БС1сп, БСтЗкп, БСтЗпс, БСтЗсп, БСтЗГпс;
группа В – ВСт1, ВСт2, ВСтЗ, ВСт4, ВСт5, ВСтЗпс, ВСтЗсп, ВСтЗГпс.
Стали обыкновенного качества идут для изготовления сортового и листового проката, гвоздей, заклепок, болтов, труб, неответственных конструкций и т. д.
Качественные углеродистые стали. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу, они менее загрязнены неметаллическими включениями и имеют меньшее содержание растворенных газов. Качественные углеродистые стали поставляют по химическому составу и механическим свойствам.
Стали маркируют двухзначным числом (08, 10, 15, 20 … 85), которое обозначает количество углерода в сотых долях процента, например, сталь 35 – содержит 0,35% углерода.
В зависимости от содержания углерода стали подразделяют на:
1) низкоуглеродистые, содержащие до 0,25% углерода. Эти стали обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью (в = 330…460 МПа, т = 200…280 МПа, = 33…27%), хорошо свариваются, куются, штампуются. Низкоуглеродистые стали чаще применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии для малонагруженных деталей, сварных конструкций и для деталей машин упрочняемых цементацией.
2) среднеуглеродистые, содержащие 0,3…0,55% углерода. Эти стали имеют более высокую прочность при более низкой пластичности (в = 500…610 МПа, т = 300…360 МПа, = 21…16%). Среднеуглеродистые стали применяют для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения.
3) высокоуглеродистые, содержащие 0,6…0,85% углерода. Эти стали обладают повышенными прочностью (в = 650…1130 МПа, = 14…5%), износостойкостью и упругими свойствами. Высокоуглеродистые стали применяют после термической обработки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок, например, пружины, рессоры, шпиндели станков и др.
Легированные конструкционные стали – стали, содержащие специально вводимые в нее с целью изменения строения и свойств легирующие элементы.
Химический состав легированных сталей является основой для их маркировки буквенно-цифровой системой. Буквами обозначают легирующие элементы. Если их более 1%, то после буквы ставят число, которое обозначает процентное содержание его в стали. ГОСТ 4543 приняты следующие буквенные обозначения: Х – хром, Н – никель, Г – марганец, С – кремний, Т – титан, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, Ю – алюминий, Д – медь, К – кобальт, Р – бор. Если в конце названия марки стоит буква А, то это означает, что сталь высококачественная, содержащая наименьшее количество вредных примесей. Кроме того, высоколегированные стали обозначают буквами, которые ставят впереди, например: Ш – шарикоподшипниковая сталь, Е – магнитная, Э – электротехническая. Число, стоящее впереди марки конструкционной стали, обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 12ХН3А содержит углерода 0,12%, хрома (Х) 1%, никеля (Н) 3% и является высококачественной.
По суммарному количеству легирующих элементов стали делятся на:
1) низколегированные, содержащие легирующих элементов до 2,5%;
2) легированные, содержащие 2,5…10% легирующих элементов;
3) высоколегированные, содержащие более 10% легирующих элементов.
К легированным сталям со специальными свойствами относятся износостойкие, коррозионно-стойкие, жаропрочные, жаростойкие, высокопрочные, мартенситностареющие, шарикоподшипниковые, автоматные стали и др.
1.12. Цветные металлы и сплавы
1.12.1. Медь и ее сплавы
Чистая медь обладает высокой пластичностью, электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью. Из чистой меди изготовляют электрические провода и кабели, детали приборов и электрических машин и т. д. Медь хорошо обрабатывается давлением и вытягивается в тонкие листы (фольгу) толщиной 0,05…0,06 мм и в проволоку диаметром 0,02…0,03 мм. Марки меди различаются по ГОСТ 859 в зависимости от чистоты. Примерно 75% меди расходуется на сплавы с другими металлами – цинком, оловом, свинцом, алюминием и т. д. Сплавы на медной основе объединяются в две основные группы – латуни и бронзы.
Латунью называется сплав меди с цинком. При содержании цинка менее 20% латунь называется томпаком. Механические свойства латуни – прочность и пластичность – выше, чем у меди, она хорошо обрабатывается резанием, давлением, характеризуется высокими коррозионной стойкостью, теплопроводностью, электропроводностью. Большим преимуществом латуней является сравнительно низкая их стоимость, т.к. входящий в состав сплава цинк значительно дешевле меди.
Латунь обозначают буковой Л с цифрами, соответствующими процентному содержанию меди в сплаве. Если в латуни кроме меди и цинка имеются еще добавки, то после буквы Л ставят обозначения добавок, после которых следуют цифры, указывающие среднее процентное содержание компонентов латуни, а латунь получает название по введенным в нее добавкам. Например, латунь марки ЛС59-1 обозначает: латунь свинцовистая с 59% меди, 1% свинца и 40% цинка.
По технологическому признаку латуни делятся на литейные и деформируемые (обрабатываемые давлением). Для улучшения механических свойств и обрабатываемости латуни в медноцинковый сплав добавляют 2…8% железа, алюминия, никеля и других элементов. Такие латуни называются специальными.
Бронзой называется сплав меди с различными элементами, среди которых цинк не является основной добавкой. Бронзы имеют хорошие коррозионную стойкость и антифрикционные свойства, обладают хорошими литейными свойствами, некоторые бронзы имеют достаточно высокую пластичность и хорошо обрабатыаются давлением и резанием, некоторые бронзы подвергаются термической обработке для повышения прочности и твердости. Различают простые (оловянистые, т.е. содержащие в своем составе олово) и специальные (безоловянистые) бронзы. В специальных бронзах олово заменено свинцом, алюминием, железом, марганцем, кадмием, бериллием и другими элементами. В зависимости от химического состава такие бронзы называются свинцовистыми, алюминиевыми, марганцовистыми, беррилиевыми и т. д. Как и латуни, бронзы делятся на литейные и деформируемые.
Принцип обозначения бронз такой же, как и латуней, лишь с той разницей, что цифры, следующие за буквами, указывают только среднее процентное содержание примесей в сплаве (остальное медь); например, БрОЦСН-3-7-5 обозначает: бронза содержащая 3% олова 7% цинка, 5% свинца и 1 % никеля, остальное медь.
1.12.2. Алюминий и его сплавы
Алюминий обладает хорошей пластичностью, электро- и теплопроводностью, высокой коррозионной стойкостью в пресной воде, в атмосферных и некоторых других условиях. На воздухе поверхность алюминия покрывается тонкой пленкой окислов Al2O3, которая защищает от окисления нижерасположенные слои металла. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты, высокой чистоты, технической чистоты. Алюминий ввиду низкой прочности применяют для изготовления элементов конструкции и деталей, не несущих нагрузки, когда требуется высокая пластичность, сопротивление коррозии, высокие теплопроводность и электропроводность.
Сплавы алюминия делятся на литейные и деформируемые.
К литейным сплавам относится силумин, который представляет собой сплав алюминия с 8…14% кремния. Он обладает хорошими литейными качествами и используется для отливки сложных деталей в песчаные формы, в кокиль и под давлением. Из силумина изготовляют колеса самолетов, детали электроизмерительных, судовых и других приборов. Обозначается АЛ2 (цифра – условный номер сплава).
Деформируемые сплавы делят на неупрочняемые термообработкой и упрочняемые.
К неупрочняемым относят сплавы алюминия с марганцем и магнием. Они обладают высокой коррозионной стойкостью, умеренной прочностью, высокой пластичностью. Их применяют для изделий, эксплуатируемых в агрессивной среде, а также изготовляемых путем глубокой штамповки: рам и кузов, перегородок зданий, переборок судов, бензиновых баков и т.п. Их маркировка: АМц – сплавы алюминия с марганцем, АМг, …, АМг7 – с магнием (цифра показывает содержание магния в процентах).
Деформируемые сплавы упрочняемые термообработкой, имеют наибольшую плотность и высокую прочность (в до 700 МПа). Их применяют для изготовления ответственных деталей. Наиболее распространенным сплавом этой группы является дуралюмин.
Дуралюминами называются сплавы алюминия с медью (2,25…5,2%), магнием (0,2…1,8%) и марганцем (0,1…2%). Они обладают достаточно высокой прочностью, пластичностью. Достоинством дуралюмина является высокая удельная прочность (отношение предела прочности к плотности), а недостатком – пониженная коррозионная стойкость. Дуралюмин маркируют буквой Д и порядковым номером: Д1, Д16, Д18.
1.12.3. Магний и его сплавы
Магний является самым легким конструкционным металлом. Он обладает хорошей гибкостью, ковкостью, твердостью при небольшой вязкости, малоустойчив против коррозии, легко окисляется и горит ослепительно ярким пламенем при температуре 600° С. Чистый магний применяют в пиротехнике для осветительных целей, в качестве раскислителя, в химии – в качестве восстановителя, для приготовления термита, используемого при сварке проволоки электрической сети.
Магний распространен в виде сплавов, которые в 1,5 раза легче алюминиевых, хорошо обрабатываются резанием и сравнительно прочны в = 270 МПа. К недостаткам следует отнести легкую окисляемость и самовозгораемость, что требует производить плавление и разливку сплавов под слоем флюсов или в вакууме. Кроме этого, сплавы обладают худшими в сравнении с алюминием коррозионными и литейными свойствами. Наиболее распространенными являются сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем, цирконием. Введение в магниевые сплавы небольшого количества бериллия, титана и других элементов улучшает их свойства. Несмотря на некоторые недостатки, в сравнении с алюминиевыми сплавами, сплавы магния широко применяют для изготовления авиационных деталей, корпусов и деталей пишущих и счетных машин, оптических приборов и т. д.
Магниевые сплавы делятся на литейные и деформируемые. Первые обозначают буквами МЛ, а вторые – МА с цифрами, показывающими порядковый номер сплава, например: МЛ6, МА1.
1.12.4. Титан и его сплавы
Технический титан ( 0,8 % примесей) изготовляют следующих марок: ВТ1 (99,9% титана), ВТ1-00 (99,6% титана), ВТ1-0 (99,45% титана). Обрабатывается давлением, сваривается, плохо обрабатывается резанием. На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка, повышающая сопротивление коррозии во многих агрессивных средах.
Титановые сплавы получают легированием титана различными элементами, так алюминий, железо, марганец, хром, олово, ванадий повышают прочность титана, несколько снижая при этом пластичность и вязкость, алюминий, цирконий, молибден, олово увеличивают жаропрочность, молибден, цирконий, ниобий, тантал повышают коррозионную стойкость.
Титановые сплавы по сравнению с другими сплавами имеют ряд преимуществ:
1) сочетание высокой прочности с хорошей пластичностью,
2) малую плотность,
3) относительно хорошую жаропрочность,
4) высокую коррозионную стойкость во многих агрессивных средах.
По технологическому признаку титановые сплавы классифицируют на деформируемые (ВТ5, ВТ3-1, ВТ15 и др.) и литейные (ВТ5Л, ВТ3-1Л и др.).
Сплавы титана применяют там, где главную роль играют небольшая плотность, высокая удельная прочность (отношение предела прочности к плотности), теплостойкость и хорошая сопротивляемость коррозии. Титановые сплавы применяют в авиации, ракетной технике, химическом машиностроении.
2. Термическая обработка металлов
2.1. Термическая обработка
Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, проводимых в определенной последовательности с целью изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств. Свойства стали определяются структурой, которая зависит от температуры нагрева и охлаждения.
Основным назначением термической обработки является повышение механических свойств деталей машин и инструментов в отношении прочности, твердости, износостойкости и обрабатываемости.
Технологический процесс термической обработки характеризуется температурой нагрева стали, выдержкой при этой температуре и скоростью охлаждения до комнатной температуры.
Температуру нагрева стали определяют по диаграмме состояния железо-углерод.
Термическая обработка может быть промежуточной и окончательной. Различают следующие основные виды термической обработки: отжиг (I рода, II рода), нормализация, закалка, отпуск, старение.
Отжиг производят для устранения внутренних напряжений, возникающих при обработке прокатыванием, ковкой и литьем, внутренней структурной неоднородности, ликвации литых деталей; для уменьшения твердости и повышения вязкости стали; улучшения обрабатываемости стали; изменения каких-либо других свойств, например магнитных у трансформаторной стали. При отжиге, как правило, детали охлаждают медленно (обычно вместе с печью). Отжиг I рода возможен для любых металлов и сплавов. Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии. Отжиг II рода проводят для металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения при нагреве и охлаждении.
Нормализация – это термическая обработка стали, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния и охлаждают на спокойном воздухе. Нормализацию применяют с той же целью, что и отжиг. Технологический процесс нормализации отличается от отжига тем, что охлаждение после нагрева производят на воздухе в закрытом помещении, вследствие чего увеличивается коэффициент использования печей и повышается экономичность.
Увеличивая скорость охлаждения нагретой стальной заготовки, добиваются закалки. Цель закалки – получение высокой твердости и прочности и других заданных физико-механических свойств. Повышение твердости и прочности обеспечивается за счет получения структуры мартенсита. Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор углерода в Fe.
В практике термической обработки стали применяют закалку в одном охладителе, прерывистую, ступенчатую, с самоотпуском, поверхностную и др.
Например, для закалки простых по форме деталей чаще всего применяют закалку в одном охладителе. Процесс осуществляется погружением нагретой детали из среднеуглеродистой стали в воду, а из высокоуглеродистых и специальных сталей в масло, до полного ее охлаждения.
При прерывистой закалке деталь охлаждают в двух охладителях последовательно: сначала в воде, что обеспечивает более высокую скорость охлаждения, а затем в менее интенсивном охладителе – масле или на воздухе. Закалку этим способом применяют при изготовлении инструментов из высокоуглеродистых и специальных сталей.
Выбирая способ закалки (охлаждающие среды), следует учитывать закаливаемость и прокаливаемость данной стали. Закаливаемость – способность стали принимать закалку, т.е. приобретать при закалке высокую твердость. Закаливаемость стали определяется содержанием углерода, чем больше углерода в стали, тем лучше закалка. Низкоуглеродистые стали не закаливаются. Прокаливаемость – глубина проникновения закаленной зоны. Характеристикой прокаливаемости служит критический диаметр. Критический диаметр – это максимальный диаметр детали цилиндрического сечения, которая прокаливается насквозь в данном охладителе. На величину прокаливаемости оказывает влияние скорость охлаждения и химический состав стали. Легированные стали характеризуются более повышенной прокаливаемостью, чем углеродистые.
Посредством отпуска устраняется чрезмерная хрупкость закаленной стали; структура получается наиболее устойчивая при обычной температуре с более высокими механическими свойствами. Сущность отпуска заключается в том, что закаленные стальные детали нагревают до температуры ниже границы структурных превращений (727°С), выдерживают некоторое время и затем охлаждают с произвольной скоростью. В зависимости от температуры и образовавшейся структуры металла различают низкий, средний и высокий отпуск.
Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска называется улучшением и является основным видом обработки конструкционных сталей.
Старение – это процесс изменения свойств стали без заметного изменения микроструктуры. Два вида старения: 1) термическое – протекает в результате выделения углерода из пересыщенного твердого раствора в виде цементита третичного. Если старение происходит при комнатной температуре, то его называют естественным, если при повышенной температуре – искусственным. 2) деформационное (механическое) старение протекает после холодной пластической деформации.
Основное назначение старения – повышение прочности и стабилизация свойств закаленных сплавов.
2.2. Химико-термическая обработка стали
Химико-термическую обработку стали применяют в тех случаях когда необходимо получить более твердую, износостойкую деталь с улучшенными механическими свойствами поверхностного слоя.
Химико-термическая обработка – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.
В зависимости от диффундирующих в поверхностный слой стали элементов, различают следующие виды химико-термической обработки:
Цементация – процесс насыщения поверхностного слоя малоуглеродистой стали, углеродом, в результате чего происходит упрочнение. Цементации подвергают детали, содержащие 0,1 – 0,3% углерода, количество которого доводится обычно до 0,8%, а в некоторых случаях и до 1,2%. Обычно цементируют детали, работающие на истирание в условиях ударных нагрузок, например валы, зубчатые колеса, шейки коленчатых валов, поршневые пальцы и т. д.
Азотирование - процесс насыщения поверхности детали азотом. В качестве нитрирующей среды используют аммиак NH3, в атмосфере которого сталь выдерживают при температуре 480 – 760°С в течение 20 – 90 ч. Азотирование сильно повышает твердость, не уменьшающуюся даже при нагреве до 600 – 650°С, износостойкость, предел усталости и коррозионную стойкость к действию воздуха, воды, пара и т. д. Азотируют, как правило, углеродистые стали, легированные алюминием, хромом, молибденом, ванадием и другими элементами, а также чугун
Цианирование – процесс одновременного насыщения поверхностей детали углеродом и азотом. Так же как и при цементации, различают цианирование в твердых, жидких и газовых средах. Процесс цианирования при температуре 500 – 600°С носит название низкотемпературного, его применяют для упрочнения инструментов из быстрорежущих сталей на глубину 0,02 – 0,4 мм. Цианирование при температуре 800 – 950°С носит название высокотемпературного, его применяют для упрочнения деталей из углеродистых и специальных сталей с содержанием углерода до 0,4% на глубину до 1,5 мм.
Диффузионная металлизация. Кроме описанных способов упрочнения деталей, в промышленности применяют также (правда, в меньших масштабах) процессы диффузионной металлизации, заключающиеся в насыщении поверхности стальных деталей алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), бором (борирование) и другими элементами.
2.3. Термомеханическая обработка
При термомеханической обработке совмещаются пластическая деформация и термическая обработка, в одном технологическом процессе, который включает: нагрев, пластическое деформирование, охлаждение.
Взависимости от температуры, при которой проводят деформацию, различают: высокотемпературную и низкотемпературную термомеханическую обработку.
Преимуществом термомеханической обработки является то, что при существенном увеличении прочности пластичность снижается незначительно, а ударная вязкость повышается в 1,5 – 2 раза.
2.4. Термическая обработка холодом
Холодом (-60°С и ниже) обрабатывают стали, содержащие свыше 0,5% углерода, и специальные стали. После воздействия на стальные детали холодом повышается твердость, износостойкость, особенно цементированных деталей, а также усиливаются магнитные свойства и при этом не изменяются размеры закаленных деталей.
Учитывая особенности обработки холодом, ее применяют для повышения твердости и износостойкости шарикоподшипников, для восстановления размеров калибров и других инструментов, для стабилизации магнитных свойств магнитов, для повышения твердости и стойкости инструментов и различных деталей, особенно после цементации.
3. Материалы, применяемые для изготовления режущих инструментов
(инструментальные материалы)
Инструментальные материалы подразделяют на следующие группы:
1) инструментальные стали,
2) твердые сплавы,
3) минераллокерамика,
4) алмазы и синтетические сверхтвердые материалы.
На выбор материала оказывает влияние тип, назначение, размеры и условия работы инструмента, технология изготовления инструмента.
3.1. Инструментальные стали
Инструментальная сталь предназначена для изготовления разнообразного инструмента: режущего, измерительного, штампового и специального.
По химическому составу инструментальную сталь делят на углеродистую, легированную и быстрорежущую.
Инструментальной углеродистой сталью обычно называют сталь, содержащую 0,65…1,35% углерода. Углеродистую сталь с большим содержанием углерода не применяют, так как она чрезмерно хрупка.
Эти стали делят на две группы: качественные и высококачественные. Качественную сталь маркируют буквой У с последующей цифрой от 7 до 13. Буква свидетельствует, что сталь углеродистая инструментальная, а цифра определяет примерное содержание в ней углерода в десятых долях процента. Например, марка У9 — углеродистая инструментальная сталь с примерным содержанием углерода 0,9%. Если в марке стали в конце стоит буква А, то это высококачественная инструментальная сталь второй группы, например У7А. Высококачественная сталь по сравнению с качественной содержит меньше марганца и вредных примесей (серы до 0,02%, фосфора до 0,03%).
Недостатком углеродистых инструментальных сталей является то, что они обладают высоким коэффициентом теплового расширения, низкой коррозионной стойкостью в агрессивных средах и при высоких температурах, пониженными прочностными свойствами при повышенных температурах и чувствительностью к перегреву. Поэтому инструменты из этих сталей применяют при резании с небольшими скоростями. Особенно плохо такие инструменты работают при высокой температуре, когда понижается стойкость и твердость его материала.
Легированные стали имеют повышенные механические свойства и стойко работают в сложных условиях.
Буквы в марке стали обозначают примерный состав входящих компонентов. Первая цифра слева от буквы определяет содержание углерода в десятых долях процента, если содержание углерода менее 1%. Цифры справа от буквы указывают среднее содержание легирующего элемента в процентах. Например: 9ХС, Х6ВФ.
К высококачественным инструментальным материалам относятся быстрорежущие стали. Основным легирующим элементом в них является вольфрам (до 18%). Быстрорежущие стали обозначают буквой Р, следующая за ней цифра указывает среднее содержание вольфрама в процентах, следующие буквы и цифры показывают какие элементы входят в сталь дополнительно и их процентное содержание.
По режущим свойствам быстрорежущие стали делят на стали нормальной и повышенной производительности. К первым относятся вольфрамовые (Р18, Р12, Р9, Р9Ф5) и вольфрамомолибденовые (Р6МЗ, Р6М5), сохраняющие твердость не ниже HRC 58 до температуры 620°С. К сталям повышенной производительности относятся Р18Ф2, Р14Ф4, Р6М5К5, Р9М4К8, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2, содержащие кобальт или повышенное количество ванадия и сохраняющие твердость HRC 64 до температуры 630…640°С.
Эти стали используют для изготовления фасонных, резьбовых и отрезных резцов, фрез, зуборезного инструмента, протяжек и других инструментов.
Для экономии дорогостоящих материалов из быстрорежущей стали изготовляют стандартные режущие пластины, которые приваривают, припаивают или крепят механически к корпусной или крепежно-присоединительной части.
3.2. Твердые сплавы
Твердые сплавы изготовляют методами порошковой металлургии. Исходными материалами для их изготовления являются порошки карбидов тугоплавких металлов, связанных металлическим кобальтом. При спекании твердые сплавы приобретают высокую твердость и в дополнительной термической обработке не нуждаются. Эта твердость сохраняется при нагреве до 800…900С, поэтому оснащенный твердым сплавом инструмент более износостоек по сравнению с инструментом из инструментальных сталей, что позволяет вести обработку при высоких скоростях резания (до 800 м/мин). Из них изготовляют пластинки для различных инструментов (резцов, фрез, сверл, разверток и др.).
Различают четыре группы твердых сплавов:
1) вольфрамовые (ВКЗ, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10) применяют для обработки хрупких и неметаллических материалов;
2) титановольфрамовые (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12) применяют для обработки сталей;
3) титанотанталовольфрамовые (ТТ7К12, ТТ10К8-Б, ТТ8К6, ТТ20К9) применяют для обработки труднообрабатываемых сталей;
4) безвольфрамовые (ТН-30, КТН-16, КХН-20) применяют при чистовой обработке легированных сталей и цветных металлов.
Твердые сплавы содержат вольфрам, титан, тантал и кобальт примерно в таком процентном количестве, как значится в числе, рядом стоящем с буквенным обозначением. Так, например, сплав BK8 содержит 92% карбида вольфрама и 8% кобальта; сплав Т15К6 содержит 15% карбида титана и 6% кобальта, а остальные 79% составляет карбид вольфрама; сплав ТТ7К12 содержит 7% карбида титана и карбида тантала, 12% кобальта, остальное карбид вольфрама.
Вольфрам, присутствующий в большом количестве в твердых сплавах, является дорогим и дефицитным элементом. Поэтому перспективно применение безвольфрамовых твердых сплавов. В них карбиды вольфрама заменены карбидами титана, хрома с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких металлов. По прочности, твердости, износостойкости и режущим свойствам безвольфрамовые твердые сплавы находятся на уровне вольфрамосодержащих.
3.3. Минералокерамика
Минералокерамические сплавы – дешевые инструментальные материалы, обладающие высокой твердостью, износостойкостью и хорошими режущими свойствами.
Минералокерамические сплавы имеют повышенную хрупкость и не выдерживают изгибающих нагрузок. Так, например, твердые сплавы характеризуются пределом прочности на сжатие до 4000 МПа и на изгиб до 1300 МПа, а минералокерамические имеют предел прочности на сжатие 2500 МПа и на изгиб 300…400 МПа.
Минералокерамические сплавы необходимо применять в условиях работы без ударных нагрузок и вибраций. Следовательно, эти материалы нужно использовать при чистовых операциях и высоких скоростях резания.
Минералокерамические пластинки изготовляют спеканием при высокой температуре порошков чистой окиси металлов или минералов с незначительным количеством примеси, из которых образуется стеклообразный белого цвета, напоминающий фарфор минерал.
Минералокерамические материалы имеют следующие физико-механические свойства: твердость HRС 90…93, температурная стойкость 1300…1500°С; кроме того они не окисляются, уменьшают наростообразование, усадку стружки, температуру при резании металла.
В настоящее время для режущих инструментов минералокерамические пластинки изготовляют из окиси алюминия Al2O3, применяя метод прессования и термическую обработку. Наибольшее применение получила оксидная керамика микролит ЦМ и ВО-13. Микролит ЦМ-322, который имеет предел прочности при изгибе 245…390 МПа, твердость HRС 92…93, температурную стойкость 1200° С, допускает скорость резания в 2 раза выше твердых сплавов.
С целью повышения механических свойств в оксидную керамику добавляют различные тугоплавкие соединения. Такие материалы получили название оксидно-карбидной керамики. Предел прочности при изгибе у нее 400…700 МПа. Оксидно-карбидная керамика имеет черный цвет, изготовляется в виде многогранных и круглых пластин. Представителями этой минералокерамики являются ВОК-60, ВОК-63 и др.
3.4. Алмазы и синтетические сверхтвердые материалы
К режущим сверхтвердым материалам относятся алмазы и синтетические материалы. Их применяют для оснащения лезвийных и абразивных инструментов.
Самым твердым материалом является алмаз. Алмаз используют в виде мелких крошек и пыли, из которых изготовляют особенно твердые инструменты для обработки сверхтвердых материалов и правки шлифовальных кругов. Алмаз обладает высокой износостойкостью, хорошей теплопроводностью, небольшим коэффициентом трения и малой адгезионной способностью к металлам, за исключением сплавов железа с углеродом. Наряду с высокой твердостью алмаз обладает большой хрупкостью.
Синтетические алмазы получают из графита в условиях высоких температур и давлений. Синтетические алмазы выпускают следующих марок: АСБ – баллас (например: АСБ-5, АСБ-6), АСПК – карбонадо (например: АСПК-1, АСПК-3), САМ – монокристаллические алмазы.
Получили широкое распространение сверхтвердые материалы на основе кубического нитрида бора. Этот материал твердый, как алмаз, но превосходит его по теплостойкости, химически инертен к железу и углероду. Это дает возможность использовать кубический нитрид бора в качестве абразивного материала при обработке различных сталей. На основе плотных модификаций кубического нитрида бора создан ряд инструментальных материалов, носящих название композиционных (композиты). Композиты делят на две группы: 1) материалы с массовой долей кубического нитрида бора 95% и выше. Например, эльбор (композит 01), бельбор (композит 02) и др.; 2) материалы с массовой долей кубического нитрида бора 75% с различными добавками. Например, композит 05 – состоит из кубического нитрида бора и двуокиси алюминия.
Наиболее перспективным из сверхтвердых материалов является силинит-Р – это материал на основе нитрида кремния. Получают селинит-Р методом горячего спекания в графитовых пресс-формах в виде пластин различной формы. Для силинита-Р характерно отсутсвие склонности к адгезии по отношению к большенству сталей, сплавов на основе меди и алюминия. Он обладает более высокими прочностью, ударной вязкостью и теплопроводностью, чем минералокерамика, не содержит дефицитных элементов.
4. Неметаллические материалы
Кроме металлов и их сплавов во всех отраслях народного хозяйства нашли широкое применение неметаллические материалы. К ним относятся пластмассы, резиновые и эбонитовые материалы, материалы, лакокрасочные и клеющие материалы, кожа, асбест, стекло, керамика, фарфор, мрамор, войлок, текстильные, бумажные, смазочные и другие материалы.
4.1. Полимеры
Полимеры – это вещества, макромалекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. При больших размерах макромалекул свойстова веществ определяются нетолько химическим составом этих малекул, но и их взаимным расположением и строением. Отличительной особенностью полимеров является гибкость макромолекул.
Классификация полимеров:
1) по химическому составу полимеры подразделяют на
- органические – полимеры, у которых основная молекулярная цепь образована только углеродными атомами или с примесями атомов других неметаллических элементов;
- элементоорганические – соединения, которые в составе основной цепи содержат неорганические атомы (кремний, титан, алюминий);
- неорганические – полимеры, в составе которых нет углеродного скелета, их основу составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция и др.;
2) по форме макромалекул полимеры делят на линейные (цеповидные) (рис.12,а), разветвленные (рис.12,б), лестничной формы (рис.12,в), пространственные или седчатые (рис.12,г), пластинчатые (паркетные) (рис.12, д);
3) по фазовому состоянию – на аморфные и кристаллические;
4) по отношению к нагреву – термопластичные и термореактивные;
5) по полярности – на полярные и неполярные.
Рис. 10. Формы макромолекул
Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: в стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем.
4.2. Пластмассы
Пластмассы – это большая группа искусственных материалов, полученных на основе синтетических или природных высокомолекулярных соединений (смол).
Пластмассы делятся на простые и сложные (композиционные). Простые пластмассы в основном состоят из чистых смол, а сложные – из связующего вещества, наполнителя, пластификаторов, красителей, смазывающих веществ, катализаторов и других специальных добавок. В качестве связующего вещества применяют различные природные и синтетические смолы, битум, асфальт, цемент. В качестве наполнителей применяют древесную муку, хлопчатобумажные и льняные волокна, древесный шпон, асбестовое и стеклянное волокно, мелко нарезанную ткань и бумагу, мел, гипс, графит, каолин, воск, глицерин, мыло и др. Для увеличения пластичности и текучести пластмассы используют пластификаторы. Красители окрашивают пластмассу в необходимый цвет; для крашения применяют охру, додалин, нигрозин, зеленый бриллиант и т. д.
Пластмассы в зависимости от входящих компонентов делятся на следующие виды: пресс-порошки, волокниты, слоистые и литьевые пластики и листовые термопластмассы. Пресс-порошками называются пластмассы, полученные из порошкообразных исходных материалов (древесной муки, молотого кварца, молотой слюды, асбеста). Волокнитами называются пластмассы, полученные из волокнистых исходных материалов (хлопчатобумажных, стеклянных, асбестовых и др.). Слоистыми называются пластмассы, полученные из исходных материа лов в виде ткани или бумаги (текстолит, стеклотекстолит, гетинакс).
Литьевыми пластиками называются пластмассы, состоящие только из одного компонента – смолы, по типу которой они и классифицируются. Листовые – это пластмассы, в состав которых кроме смолы входят еще в небольшом количестве пластификаторы и стабилизаторы (органическое стекло, винипласт).
В зависимости от связующего вещества различают фенопласты, амннопласты и эпоксипласты. От того, как ведет себя связующее вещество при нагреве, пластмассы делятся на термопластические и термореактивные. Термопластические пластмассы обладают свойством при нагревании размягчаться и плавиться, а после прессования при охлаждении твердеть, не теряя способности к растворению и повторной переработке. Термореактивные пластмассы обладают свойством при нагреве до определенной температуры вступать в химическую реакцию. Они являются необратимыми и повторному формированию не поддаются, поэтому бракованные детали после измельчения используются как наполнители при производстве пресс-порошков.
Пластмассы применяют во всех отраслях народного хозяйства. В машиностроении имеют широкое применение конструкционные пластмассы. Из них изготовляют различные детали машин. Ниже дается краткое описание основных промышленных типов пластмасс, имеющих распространение в машино- и приборостроении.
Например, полистирол – прозрачный бесцветный полимер с высокой водостойкостью, стойкий к агрессивным средам, радиоактивному излучению и обладает высокими электроизоляционными свойствами. Наряду с хорошими механическими свойствами полистирол удачно сочетает в себе низкую плотность, твердость и другие качества, в результате чего его широко применяют в высокочастотных установках, в радиотехнике, в химическом аппаратостроении. К недостаткам полистирола относятся хрупкость, малая теплостойкость (80° С) и др.
Полиэтилен – наиболее легкая термопластическая пластмасса, полученная полимеризацией газообразного этилена. Полиэтилен обладает высокой кислотостойкостью, диэлектричностью, прочностью, имеет достаточную твердость и эластичность, которая сохраняется и при температурах до -60°С. Полиэтилен применяют в основном как изоляционный материал для высокочастотных кабелей, деталей радиоаппаратуры в виде тонких пленок (до 0,04…0,05 мм), изоляционных прокладок, упаковочного и защитного материала, изготовления водопроводных и нефтепроводных труб, емкостей, работающих в агрессивных средах. Кроме того, из него изготовляют зубчатые колеса в приборах и станках при небольших нагрузках. Хорошая твердость, полупрозрачность, нетоксичность и инертность позволяют применять полиэтилен для изготовления небьющейся посуды.
Фторопласт-4 – материал с исключительно высокими диэлектрическими свойствами, совершенно не смачивается водой и не набухает, обладает высокой термической и химической стойкостью, по стойкости к агрессивным средам превосходит золото и платину. Твердость фторопласта-4 невысокая. Он текуч на холоде, и поэтому его используют для изготовления деталей методом холодной прессовки с последующим спеканием. Фторопласт-4 используют как изоляционный материал в технике сверхвысоких частот и для изготовления химически стойких деталей. Тонкие пленки (0,02…0,04 мм) используют для пазовой изоляции электрических машин и для изготовления пленочных конденсаторов.
Полиамид – износостойкий материал с плотностью 1130 кг/м3 и температурой размягчения 240…260° С. Этот материал обладает высокой стойкостью к действию кислот, щелочи, углеводородов и масел; используется для изготовления зубчатых колес, деталей счетных машин и других трущихся деталей. Детали из полиамида в 2…3 раза легче и дешевле, чем детали из оловянного сплава.
Капрон – твердое вещество белого или светло-желтого цвета, получен в результате поликонденсации капролактана. Капроновые детали имеют высокую поверхностную твердость и прочность на изгиб и удар, обладают малым коэффициентом трения скольжения и малым износом, стойкие по отношению к жирам, маслам и щелочам. К недостаткам капрона следует отнести значительную усадку (до 2%) и склонность к старению при повышенных температурах. Капрон применяют для изготовления износостойких деталей, а также используют как изоляционный материал для изготовления арматуры, каркасов и т. д.
Волокниты – это пластмассы, полученные специальной обработкой волокнистых наполнителей и термореактивной смолы. Изделия из волокнита прессуются горячим прессованием на основе таких наполнителей, как хлопчатобумажные, асбестовые и стеклянные волокна с фенолформальде-гидными, анилиноформальдегидными, меламиноформальдегидными, полисилоксановыми и другими смолами – связующими веществами. Волокниты обладают повышенной удельной ударной вязкостью.
В зависимости от наполнителя различают волокнит (хлопковые очесы), асбоволокнит (асбестовое волокно), стекловолокнит (стеклянное волокно). Волокниты применяют для изготовления деталей машин, работающих на удар, а асбестоволокниты используют для деталей с высокой теплостойкостью (200…250°С) и хорошими фрикционными свойствами, как, например, тормозные колодки, фрикционные муфты, диски сцепления и т. д. Детали из стекловолокнита коррозионно-стойки ко многим агрессивным средам, водо- и теплостойки (350°С) и обладают высокими электроизоляционными свойствами. Из стекловолокнита изготовляют детали, работающие как диэлектрики, коррозионно-стойкие и высокопрочные трубы, маслоотсеки, кузова автомобилей, лодки, вагоны.
Слоистые пластмассы – это материалы, изготовленные прессованием термореактивной смолы с листовыми наполнителями. В зависимости от наполнителя различаются текстолиты, асбестотекстолиты, гетинаксы, стеклотекстолиты и древеснослоистые пластики.
Текстолиты получают прессованием наполнителя (многослойной хлопчатобумажной ткани) совместно со связующим веществом, чаще всего бакелитом. Текстолит обладает высокими электроизоляционными и фрикционными свойствами, износостойкостью. Промышленность выпускает текстолит в виде листов (толщиной 0,5…50 мм), плит и стержней. Его применяют для панелей аппаратов, для изготовления подшипников, зубчатых колес и других машин и приборов. На дета лях из текстолита можно нарезать резьбу.
Асбестотекстолит в отличие от текстолита имеет наполнитель - асбестовую ткань, в результате чего материал приобретает повышенный коэффициент трения, высокую теплостойкость и способность выдерживать большие давления. Основное назначение асбестотекстолита – использование в качестве теплоизоляционных облицовок для различных деталей машин специального назначения.
Гетинакс, или бакелитовая фибра, является слоистой пластмассой, в которой наполнителем является бумага. Гетинакс имеет хорошие диэлектрические свойства с удовлетворительной механической прочностью. Промышленность выпускает гетинакс в виде листов толщиной 0,2…50 мм.. Его применяют для изготовления зубчатых колес, плит, прокладок, силовых панелей и т. п. и как изоляционный материал. Недостаток гетинакса – его гигроскопичность.
Стеклотекстолит – высокопрочная слоистая пластмасса, получаемая так же, как и текстолит, только в качестве наполнителя используют стеклянную ткань. Стеклотекстолит выпускают в виде листов толщиной 0,5…30 мм; применяют в общем машиностроении, электро- и радиотехнике для изготовления особо нагруженных деталей, так как этот материал обладает высокой прочностью, упругостью, теплостойкостью; это прекрасный диэлектрик.
Древеснослоистые пластики отличаются от слоистых пластмасс тем, что у них наполнитель состоит из тонких листов лущеной древесины (древесного шпона), которые так же, как и пластмассовые наполнители, соединены между собой синтетической смолой при высокой температуре и давлении.
Широкое распространение получили сополимеры с высокими теплоизоляционными свойствами и пористые пластики с высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами, которые не боятся влаги и мороза. Такие материалы относятся к классу газонаполненных пластмасс.
Пластмассы перерабатывают в изделия различными способами — это обычное листовое прессование, литье под давлением, выдувание, штамповка, сварка и обработка резанием. Выбор способа зависит от химических и физических свойств материалов, подлежащих переработке.
4.3. Резиновые материалы
Резина – упругий водонепроницаемый изоляционный материал, имеющий широкое применение в народном хозяйстве. Резину получают из каучука путем вулканизации, при этом каучук с примесью серы (4…10%) и наполнителей специально обрабатывают при температуре 140°С.
Резина имеет высокие эластичные свойства, высокую стойкость к истиранию, газо- и водонепроницаемость, химическую стойкость, электроизолирующие свойства, небольшую плотность, низкую теплопроводность.
По назначению резину разделяют на:
1) резины общего назначения (синтетический каучук бутадиеновый, синтетический каучук изопреновый, натуральный каучук и др.);
2) резина специального назначения (масло-, бензостойкие, теплостойкие, морозостойкие и др.).
Эбонит – это твердая резина, имеет хорошие электроизоляционные свойства, обладает стойкостью против действия кислот, щелочей, масел, едких паров и газов. Эбонит имеет достаточную техническую прочность, красивый блестящий черный цвет; его применяют как изоляционный материал в виде трубок для защиты проводов в местах их пересечения и проходов сквозь стены, в виде изоляционных прутков при электромонтажных работах (установке электросчетчиков, рубильников и т.п.).
4.4. Стекло
Органическое стекло – это прозрачный аморфный термопласт на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. Этот материал отличается высокой атмосферостойкостью, оптически прозрачен (светопрозрачность 92%), пропускает 75% ультрафиолетового излучения. Органическое стекло стойко к действию разбавленных кислот и щелочей, смазочных материалов. Критерием, определяющим пригодность органических стекол является не только их прочность, но и появление на поверхности и внутри материала мелких трещин, так называемого серебра. Этот дефект снижает прозрачность и прочность стекла.
Неорганическое стекло следует рассматривать как особого вида затвердевший раствор – сложный расплав высокой вязкости кислотных и основных оксидов. В состав неорганических стекол входят стеклообразующие оксиды, модифицирующие оксиды и оксиды которые сообщают стеклу нужные технические характеристики.
Классификация стекол:
1) по стеклообразующему веществу стекла подразделяют на силикатные (SiO2), алюмосиликатные (Al2O3 – SiO2), боросиликатные (B2O3 – SiO2) и др.;
2) по содержанию модификаторов стекла бывают щелочными, бесщелочными и кварцевыми;
3) по назначению – технические, строительные, бытовые.
Важнейшими специфическими свойствами стекол являются их оптические свойства: светопрозрачность, отражение, рассеяние, поглощение и преломление света. Например, обычное неокрашенное листовое стекло пропускает 90%, отражает 8% и поглощает около 1% видимого и частично инфракрасного света; ультрафиолетовое излучение поглощается почти полностью.
Механическая прочность и термостойкость стекла могут быть повышены путем закалки и термического упрочнения.
4.5. Клеи и герметики
Клеи и герметики относятся к пленкообразующим материалам
Клеи могут быть животного или растительного (белкового) и синтетического происхождения. Клеи животные – это столярный клей, мездровый, костяной, рыбный, альбуминовый, казеиновый, которые применяют для склеивания дерева, бумаги, текстильных изделий и т. д. Клеи растительные – это канцелярский клей, гуммиарабик, декстриновый, крахмальный, которые применяют для склеивания бумагокартонных изделий.
Клей резиновый – это раствор каучука в бензине, который применяют для склеивания резиновых, кожаных и тканевых изделий. Столярный, крахмальный и другие клеи нестойки против влаги и грибка, ими склеивают незначительное число материалов.
Синтетический клей бывает следующих видов:
1) фенольный марок БФ-2, БФ-4 для горячего склеивания металлов, пластмасс, древесины, керамики, фарфора; марки БФ-6 для склеивания тканей, резины, войлока и для приклеивания их к металлам; марокВК-32-200, ВС-350 для склеивания дюралюминия, стали, стеклотекстолита и пенопластов; марок ВС-ЮМ,. ВС-ЮТ для склеивания металлов, стеклотекстолита и текстолитов; марок КР-4, КБ-3 для горячего и холодного склеивания пластмасс, древесины, текстильных материалов;
2) эпоксидный марок ЭД-5, ЭД-6 для холодного склеивания металлов, древесины, фарфора, для приклеивания вулканизированной резины к металлам; марок ВК-32-ЭМ для склеивания стали, дюралюминия между собой и с пенопластами; марки Л-4 для горячего и холодного склеивания стали, дюралюминия, стеклотекстолита, пенопластов;
3) полиамидный марок ППФЭ-2/10 для холодного и горячего склеивания алюминия, меди, древесины, полиамидных пленок, кожи; МПФ-1 для горячего и холодного склеивания металлов и приклеивания к ним неметаллических материалов;
4) карбамидный марок КМ-3, К-17 для горячего и холодного склеивания пластмасс, древесины, бумаги, текстильных материалов;
5) глифталевый марок АМК для холодного приклеивания шерстяной, хлопчатобумажной и стеклянной теплоизоляции к металлам, для склеивания стекол;
6) карбинольный для склеивания металлов, стекла, фибры, пластмасс и мрамора;
7) полиуретановый марки ПУ-2 для горячего склеивания стали, дюралюминия, органического стекла между собой, пластмасс и пенопластов с металлами.
Рекомендуется применение синтетического клея, который позволяет склеивать различные материалы и обладает необходимой стойкостью. Значительное распространение получили карбинольные клеи БФ-2, БФ-4, БФ-20, эпоксидные ЭД-5, ЭД-6, Л-4. Карбинольным (универсальным) называется клей, изготовленный на основе смолы БФ. Использование этого клея упрощает процесс сборки машин и их ремонт, так как он прочно соединяет различные материалы.
Герметики применяют для уплотнения и герметизации клепаных, сварных и болтовых соединений, топливных отсеков и баков, различных металлических конструкций, приборов, агрегатов. Основные требования к герметикам: высокая адгезия к металлам и другим материалам, эластичность и непроницаемость для различных сред, тепло- морозостойкость, высокая химическая устойчивость.
Герметики классифицируют по составу: каучуковые, каучуково-смоляные и смоляные.
Например, тиоколовые герметики получают на основе полисульфидного каучука. У них высокая адгезия к металлам, древесине, бетону. Они стойки к топливу и маслам. Их применяют в авиационной и автомобильной промышленности, судостроении, для строительной техники.
Кремнийорганические герметики отличаются повышенной теплостойкостью. Представителями их являются виксинт и эластосил. Виксинт применяется для поверхностной герметизации металлических соединений, электро- и радиоаппаратуры, для внутришовных клепанных и сварных соединений; стоек в различных климатических условиях; выдерживает вибрацию и удары. Эластосил применяется для герметизации металлов, органических и силикатных стекол, керамики, бетона; водо-, тепло-, атмосферостоек; является диэлектриком.
Литература
1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник. – М.: Машиностроение, 1980.– 494 с.
2. Пейсахов А.Н., Кучер А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник. – СПб: Изд-во Михайлова В.А., 2005. – 416 с.
3. Материаловедение и технология металлов: Учебник / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др.; Под ред. Г.П. Фетисова. – М.: Высш. шк., 2006. – 862 с.
4. Технология металлов и материаловедение. /Под ред. Л.Ф. Усовой. М.: Металлургия, 1987. – 800 с.
Содержание
|
Стр. |
|
|
Введение……………………………………………………………………... |
3 |
|
1. Металловедение…………………………………………………………... |
4 |
|
1.1. Кристаллическое строение металлов………………………………. |
4 |
|
1.2. Дефекты кристаллической решетки металлов…………………….. |
6 |
|
1.3. Кристаллизация металлов…………………………………………… |
7 |
|
1.4. Механические свойства металлов и методы их определения……. |
10 |
|
1.5. Физические свойства металлов…………………………………….. |
13 |
|
1.6. Технологические свойства металлов и методы их определения…. |
13 |
|
1.7. Коррозия металлов…………………………………………………… |
15 |
|
1.8. Понятие о металлических сплавах…………………………………. |
16 |
|
1.9. Диаграмма состояния железо-цементит………………………….... |
17 |
|
1.10. Чугун. Характеристика и классификация……………………….... |
20 |
|
1.11. Стали………………………………………………………………... |
22 |
|
1.11.1. Влияние элементов входящих в сталь на ее свойства…………. |
22 |
|
1.11.2. Конструкционные стали…………………………………………. |
23 |
|
1.12. Цветные металлы и сплавы………………………………………… |
25 |
|
1.12.1. Медь и ее сплавы……………………………………………….... |
25 |
|
1.12.2. Алюминий и его сплавы…………………………………………. |
27 |
|
1.12.3. Магний и его сплавы…………………………………………….. |
27 |
|
1.12.4. Титан и его сплавы……………………………………………….. |
28 |
|
2. Термическая обработка металлов……………………………………….. |
29 |
|
2.1. Термическая обработка……………………………………………… |
26 |
|
2.2. Химико-термическая обработка…………………………………….. |
32 |
|
2.3. Термомеханическая обработка……………………………………… |
32 |
|
2.4. Термическая обработка холодом……………………………………. |
32 |
|
3. Материалы, применяемые для изготовления режущих инструментов.. |
32 |
|
3.1. Инструментальные стали……………………………………………. |
32 |
|
3.2. Твердые сплавы………………………………………………………. |
34 |
|
3.3. Минералокерамика…………………………………………………... |
34 |
|
3.4. Алмазы и синтетические сверхтвердые материалы……………….. |
35 |
|
4. Неметаллические материалы…………………………………………….. |
36 |
|
4.1. Полимеры…………………………………………………………….. |
36 |
|
4.2. Пластмассы…………………………………………………………… |
37 |
|
4.3. Резиновые материалы………………………………………………... |
41 |
|
4.4. Стекло………………………………………………………………… |
41 |
|
4.5. Клеи и герметики……………………………………………………. |
42 |
|
Литература…………………………………………………………………… |
44 |