Материаловедение и механика материалов МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫ

Работа добавлена на сайт samzan.net:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Тольяттинский государственный университет

Кафедра «Материаловедение и механика материалов»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

по дисциплине «Материаловедение»

Часть I

(модули 1, 2, 3)

Содержание

[1] Содержание [1.1] 1.1. Цель и задачи работы [1.2] 1.2. Указания к самостоятельной работе [1.3] 1.3. Классификация материалов [1.4] 1.4. Способы маркировки металлических материалов [1.5] 1.5. Углеродистые стали [1.5.1] 1.5.1. Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества общего назначения [1.5.2] 1.5.2. Качественные конструкционные углеродистые стали для деталей машин [1.5.3] 1.5.3. Инструментальные углеродистые стали [1.6] 1.6. Маркировка легированных сталей [1.7] 1.7. Особые способы маркировки сталей [1.7.1] 1.7.1. Маркировка сталей для отливок [1.7.2] 1.7.2. Маркировка автоматных сталей [1.7.3] 1.7.3. Стали для подшипников [1.7.4] 1.7.4. Маркировка быстрорежущих сталей [1.7.5] 1.7.5. Маркировка строительных сталей [1.7.6] 1.7.6. Магнитные стали [1.7.7] 1.7.7. Стали специальных способов выплавки [1.7.8] 1.7.8. Нестандартные легированные стали [1.8] 1.8. Чугуны [1.9] 1.9. Порошковые материалы [1.10] 1.10. Медь и сплавы на основе меди [1.10.1] 1.10.1. Латуни [1.10.2] 1.10.2. Бронзы [1.11] 1.11. Алюминий и сплавы на основе алюминия [1.12] 1.12. Магний и сплавы на основе магния [1.13] 1.13. Титан и сплавы на основе титана [1.14] 1.14. Содержание отчета [1.15] 1.15. Контрольные вопросы [2] Лабораторная работа №2. Определение плотности дислокаций методом электронной микроскопии [2.1] 2.1. Цель работы [2.2] 2.2. Приборы, материалы, учебные пособия [2.3] 2.3. Краткие теоретические сведения [2.3.1] 2.3.1. Оптическая схема электронного микроскопа. [2.3.2] 2.3.2. Способы исследования металлографических объектов на электронном микроскопе [2.3.3] 2.3.3. Приготовление угольно-серебряных реплик. [2.3.4] 2.3.4. Определение плотности дислокаций по электронно-микроскопическим фотографиям [2.3.5] 2.3.5. Определение плотности дислокаций методом ямок травления [2.4] 2.4. Порядок выполнения работы [2.5] 2.5. Содержание отчета [2.6] 2.6. Контрольные вопросы [3] Лабораторная работа №3. Механические свойства конструкционных материалов [3.1] 3.1. Цель и задачи работы [3.2] 3.2. Условия работы и методы испытания материалов [3.3] 3.3. Механические свойства конструкционных материалов [3.4] 3.4. Определение количественных характеристик механических свойств [3.4.1] 3.4.1. Испытания на статическое растяжение [3.4.2] 3.4.2. Испытания на твердость [3.4.3] 3.4.2.1. Твердость по Бринелю [3.4.4] 3.4.2.2. Твердость по Роквеллу [3.4.5] 3.4.2.3. Твердость по Виккерсу и микротвердость [3.4.6] 3.4.3. Связь между твердостью и прочностью материалов [3.5] 3.5. Программа и порядок выполнения работы [3.6] 3.6. Содержание отчета [3.7] 3.7. Контрольные вопросы [3.8] 3.8. Варианты заданий [3.9] 3.9. Рекомендуемая литература [4] Лабораторная работа №4. Влияние холодной пластической деформации и температуры рекристаллизации на структуру и свойства металлов [4.1] 4.1. Цель работы [4.2] 4.2. Приборы и материалы [4.3] 4.3. Краткие теоретические сведения [4.3.1] 4.3.1. Холодная пластическая деформация и ее влияние на структуру и свойства металлов [4.3.2] 4.3.2. Влияние температуры рекристаллизации на структуру и свойства холоднодеформированных металлов [4.4] 4.4. Порядок выполнения работы [4.5] 4.5. Содержание отчета [4.6] 4.6. Контрольные вопросы [5] Лабораторная работа №5. Термический анализ сплавов [5.1] 5.1. Цель работы [5.2] 5.2. Приборы, материалы, учебные пособия [5.3] 5.3. Построение и анализ диаграмм состояния [5.3.1] 5.3.1. Структурные составляющие системы [5.3.2] 5.3.2. Построение диаграмм состояния [5.4] 5.3. Анализ диаграмм состояния [5.5] 5.4. Порядок выполнения работы [5.6] 5.5. Содержание отчета [5.7] 5.6. Контрольные вопросы

Лабораторная работа №1. Классификация, маркировка и применение конструкционных материалов

1.1. Цель и задачи работы

Инженеру в его работе необходимы знания в области применения материалов, поскольку на практике приходится решать вопросы их подбора для конкретных условий эксплуатации. Следствием неправильного выбора является плохое качество и недолговечность конструкций, машин и оборудования. Нередко эти условия являются очень специфичными: низкие или высокие температуры, агрессивные химические среды, знакопеременные циклические нагрузки, особые условия трения и т.д. Часто материалы работают в условиях одновременного воздействия многих факторов.

Знания, в области применения, включают в себя широкий круг вопросов: данные по составу и свойствам материалов, способам изменения и улучшения свойств, а также поведению материалов в тех или иных условиях эксплуатации. Поэтому конструкторы при выборе материала не могут учитывать один или два каких-либо критерия, например, прочность и пластичность при комнатной температуре, так как это не дает правильной оценки возможностей материала. Обычно они пользуются комплексной характеристикой, называемой конструктивной прочностью, которая учитывает одновременно конструкционные, технологические и эксплуатационные факторы, а также требования экономической целесообразности.

Приняв во внимание многочисленность и разнообразие технических материалов по свойствам и поведению при работе, становится очевидным, что без знания принципов классификация материалов и способов их обозначения или маркировки невозможен выбор нужного материала для конкретных условий эксплуатации изделий.

Целью данной методической разработки является определение круга вопросов, служащих первоначальной основой изучения ряда наук о металлах, без усвоения которых невозможно успешное продвижение в общетехнических и специальных инженерных дисциплинах. Для ее выполнения поставлены следующие задачи:

1. Изложить принципы классификации металлических материалов и способы их маркировки в соответствии с государственными стандартами Российской Федерации (ГОСТ).

2. Ознакомить в общих чертах с областями применения и свойствами металлических материалов.

1.2. Указания к самостоятельной работе

Ознакомиться с разделом «Принципы классификации материалов».

Изучить материал по каждой отдельной группе материалов в следующем объеме:

а) название группы материалов;

б) принцип маркировки: значение букв и цифр марки;

в) по возможности воспроизвести весь ряд сплавов данной группы от первого до последнего;

г) ознакомиться с табличными данными на предмет их соответствия марке материала;

д) ознакомиться с областью применения материалов данной группы;

е) с целью облегчения дальнейшего использования материала в последующих инженерных дисциплинах рекомендуется указывать номер ГОСТа, по которому поставляется изготовителем и принимается заказчиком тот или иной материал.

1.3. Классификация материалов

В технике и быту применяется очень много разнообразных по составу, происхождению, свойствам и назначению материалов. И самой первой и самой простой классификацией всех материалов на группы является деление их на металлы и неметаллы. Поскольку круг рассматриваемых материалов в данной разработке ограничен металлами и их сплавами, приведем отличительные признаки металлов и неметаллов.

Отличительной особенностью металлов является их кристаллическое упорядоченное строение и способность деформироваться ковкой, что было отмечено еще М.В. Ломоносовым. Однако, более типичными свойствами металлов и их сплавов являются высокие тепло - и электропроводность, увеличивающиеся с понижением температуры. Теория твердого тела выбирает в качестве главного физического критерия металлического состояния температурный ход электросопротивления (Т): у металлов при. Т0, 0, а у неметаллов . В ассортимент неметаллов включаются пластмассы, волокна, пленки, резины, клеи, древесина, стекло, керамика, лакокрасочные покрытия и т.д.

Из известных к настоящему времени 111 химических элементов 83 относят к металлам, хотя некоторые с оговоркой (Вi, Sb, Si), поскольку имеют свойства металлов и неметаллов. Заметное производство и применение нашли около 30 металлов, при этом на долю, железа приходится более 90%, а на долю всех остальных менее 10%. Кроме того, следует иметь в виду, что в чистом виде металлы применяются редко. Чаще всего используются сплавы на их основе, так как сплавы имеют более высокие механические свойства и обладают комплексом специальных свойств: жаропрочностью, кислотостойкостью, магнитными свойствами и т.д. На основе железа производят сталь и чугун. Объем производства стали является важнейшим показателям технической и экономической мощи страны.

Число металлических сплавов, применяемых в технике, очень велико, при этом оно постоянно возрастает в связи с растущими требованиями многих отраслей промышленности. Классифицировать эти сплавы по одному признаку не удается, так как их состав, свойства, назначение и способы производства слишком многообразны. Поэтому существуют несколько признаков, по которым классифицируют сплавы: по химическому составу, по назначению, по свойствам, по способу выплавки, по степени раскисления, по структуре, качеству и т.д.

По химическому составу классификация основана на указании главного или основного компонента сплава, на основе которого сплав составлен: железо, медь, алюминий и т.д. Такая классификация позволяет распределить сплавы на небольшое число основных классов: а) сплавы на основе железа (стали, чугуны), б) медные сплавы (бронзы и латуни), в) алюминиевые сплавы (авали, дюрали, силумины), г) магниевые сплавы, д) титановые сплавы, е) оловянистые и свинцовистые сплавы для подшипников (баббиты) и т.д. А самая большая группа сплавов - стали, в свою очередь, делится по химическому составу на 2 группы: углеродистые (нелегированные) стали и легированные.

По назначению стали делятся на 3 основные группы: конструкционные, инструментальные и стали специального назначения. Конструкционные стали должны обладать высокими прочностью, пластичностью и вязкостью в сочетании с хорошими технологическими свойствами: легко обрабатываться давлением, резанием, хорошо свариваться и т.д. Стали конструкционные используются для изготовления деталей машин, механизмов в машиностроении и металлоконструкций в строительстве. Инструментальные стали должны обладать повышенной или высокой твердостью и износостойкостью, которые должны сохраняться при нагреве. Инструментальные стали применяются для изготовления инструмента для обработки металлов резанием, давлением, для изготовления мерительного инструмента. Специальные стали должны обладать какими-либо особыми свойствами: кислотостойкостью, жаропрочностью, магнитными или, наоборот, немагнитными свойствами и т.д. Основными потребителями сталей с особыми свойствами являются приборостроение, химические производства, ракетостроение, авиастроение, военная спецтехника и т.д.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Основными признаком качества является содержание вредных примесей в сталях: серы и фосфора. Предельно допустимое содержание примесей в сталях разных категорий качества следующее:

	Р	S
сталь обыкновенного качества	0,040%	0,050%
Качественная сталь	0,035%	0,035%
Высококачественная сталь	0,025%	0,025%
Особовысокачественная сталь	0,025%	0,015%

Категория обыкновенного качества относится только к сталям простым углеродистым (нелегированным), а две остальные категории относятся и к углеродистым, и к легированным сталям.

По степени раскисления (удаление кислорода из металла) стали могут быть спокойные (сп), полуспокойные (пс), и кипящие (кп), что указывается в марке. При одинаковым содержании углерода спокойные, полуспокойные и кипящие стали имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие в пластичности, что отражается на штампуемости в холодном состоянии. Это обусловлено содержанием остаточного кремния в стали:

Кипящая  0,05%;

Полуспокойная сталь 0,05-0,15%;

Спокойная сталь 0,15 - 0,35%.

Чем больше кремния в стали, тем хуже штампуемость. Легированные стали выплавляются только спокойными в мартеновских или электрических печах. В качестве раскислителей металлурги используют марганец, кремний, алюминий.

По способу производства различают, стали конверторные, мартеновские, электросталь и стали особых методов выплавки: электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-индукционная плавка (ВИП), вакуумно-диффузионная плавка (ВДП), электронно-лучевой переплав (ЭЛП), плазменно-дуговая плавка (ПДП). Применение особых методов выплавки позволяет получить более чистый качественный материал.

Наряду с приведенными классификациями по общим признакам, относящимся к различным сталям, существуют более частные классификации отдельных групп сталей, которые требуют специальных знаний в области материаловедения и будут рассмотрены в соответствующих разделах этой дисциплины, например, классификация сталей по микроструктуре.

1.4. Способы маркировки металлических материалов

Обозначение марок сталей и других сплавов в нашей стране производят по буквенно-цифровой системе. Но для различных металлов и сплавов способы маркировки различаются информацией, заложенной в марке. Известны 3 принципиально различных способа маркировки.

Самым распространенным способ является "марка-состав", когда в марке заложена информация о составе по основным компонентам, входящим в сплав. Так обозначаются качественные углеродистые и легированные стали, медные сплавы, твердые сплавы, часть алюминиевых сплавов.

Более узкое применение имеет способ "марка-свойство". Таким способом обозначаются графитсодержащие чугуны. В марке заложена информация о прочности и пластических свойствах чугунов.

Следует отметить, что это два наиболее простых и одновременно информативных способа. Специалисту для начала уже достаточно этой информации, чтобы получить представление о возможностях данного сплава. К тому же по сравнению с принципами обозначения сплавов в других странах наша система считается наиболее наглядной и простой, чего нельзя сказать о третьем способе маркировки "марка-каталог". Согласно этому способу сплавам присваиваются номера, перед которыми для углеродистых сталей общего назначения стоят буквы "Ст" (сталь), для высоколегированных сталей сложного состава - индексы "ИЭ" или "ЭП" (марки исследовательские или пробные). В этом случае для расшифровки состава или свойств нужны соответствующие ГОСТы, технические условия или каталоги марок.

1.5. Углеродистые стали

Основной продукцией черной металлургии является сталь-сплав железа с углеродом. Содержание углерода в стали колеблется в широких пределах от 0,1 до 2%. Сталь промышленного производства является сплавом сложным по химическому составу. Кроме основы-железа в ней содержится много элементов, наличие которых обусловлено различными причинами:

а) невозможностью их полного удаления: S,Р, О2, N2, Н2;

б) технологическими особенностями производства: марганец и кремний, например, вводятся как раскислители;

в) случайные примеси из руды или шихты: Сr, Мn, Ni, Сu, Аs и др.

Содержание всех этих примесей будет зависеть от состава шихты и способа выплавки стали: конверторный, мартеновский, электроплавка, специальные способы выплавки.

Один элемент - углерод вводится в простую сталь намеренно, умышленно. Объясняется это тем, что углерод очень сильно влияет на свойства сталей даже при незначительном изменении его содержания. Поэтому углерод и является основным элементом, изменяющим свойства сталей. С увеличением содержания углерода растут твердость - НВ, прочность - в, уменьшается пластичность  и вязкость (рис.5.1.)

Количество постоянных примесей в углеродистой стали ограничивается следующими пределами:

Мn ≤ 0,7%

Si ≤ 0,5%

Р ≤ 0,05%

S ≤ 0,05%

При большем содержании этих элементов сталь следует отнести к сорту легированных сталей, где эти элементы специально вводятся с целью изменения свойств стали.

Марганец и кремний в углеродистой стали являются технологическими добавками, без них невозможно выплавить сталь. Их вводят при выплавке как раскислители, элементы, удаляющие кислород из стали. Марганецrтому же устраняет вредное действие серы, называемое красноломкостью, переводя серу в тугоплавкое соединение МnS.

Сера и фосфор являются вредными примесями железа и попадают в сталь из руды. Сера придает стали красноломкость, образуя соединение, плавящееся в районе температур горячей обработки давлением. Фосфор сообщает стали хладноломкость, что делает его опасным для изделий, работающих в районах с холодным климатом.

Вредными примесями в стали являются газы, особенно такие как кислород и водород. Кислород образует окислы, снижающие усталостную прочность сталей, а водород может образовать трещинки-надрывы, называемые флокенами.

Углеродистые стали по назначению могут быть конструкционными и инструментальными. По качеству конструкционные стали делятся на стали обыкновенного качества и качественные, а инструментальные на качественные и высококачественные.

1.5.1. Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества общего назначения

К этой группе относят, стали, содержащие до 0,5% углерода, при производстве которых не предъявляют высоких требований. Эти стали поставляются по ГОСТ 380-94. Стали маркируются порядковым номером от 0 до 6 после букв "Ст", обозначающих слово "сталь". Для обозначения степени раскисления после номера марки добавляют индексы: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная.

Таблица 5.1. Состав углеродистых конструкционных сталей обыкновенного качества, % (ГОСТ 380-94)

Марка стали	Углерод	Марганец	Кремний	Сера	Фосфор
Ст0	Не более 0,23	-	-	Не более 0,06	Не более 0,07
Ст1кп	0,06-0,12	0,25-0,50	Не более 0,05	Не более 0,05	Не более 0,04
Ст1пс	"	"	0,05-0,15	"	"
Ст1сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Ст2кп	0,09-0,15	"	Не более 0,05	"	"
Ст2пс	"	"	0,05 - 0,15	"	"
Ст2сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Ст3кп	0,14-0,22	0,30-0,60	Не более 0,05	"	"
Ст3пс	"	0,40-0,65	0,05-0,15	"	"
Ст3сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Ст3Гпс	"	0,80-1,10	Не более 0,15	"	"
Ст3Гсп	0,14-0,20	"	0,15-0,30	"	"
Ст4кп	0,18-0,27	0,40-0,70	Не более 0,05	"	"
Ст4пс	"	"	0,05-0,15	"	"
Ст4сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Ст5пс	0,28 - 0,37	0,50-0,80	0,05-0,15	"	"
Ст5сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Ст5Гпс	0,22-0,30	0,80-1,20	Не более 0,15	"	"
Ст6пс	0,38-0,49	0,50-0,80	0,05-0,15	"	"
Ст6сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Массовая доля хрома, никеля, меди должна быть не более 0,30%, а мышьяка не более 0,08%.

Стали согласно этому ГОСТу поставляются по химическому составу, который должен соответствовать нормам, указанным в таблице 5.1. Гарантируются: содержание углерода, которое растет с увеличением номера стали от 0,06 до 0,49%, содержание марганца колеблется от 0,25% до 0,8%. Имеются 3 марки с повышенным содержанием марганца (0,8 - 1,2%), в маркировку этих сталей входит буква Г, обозначающая повышенное его содержание: Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс. Содержание кремния колеблется в зависимости от степени раскисления: для кипящих сталей не более 0,05%, для полуспокойных 0,05% - 0,15%, для спокойных сталей 0,15-0,30%. Ограничивается содержание вредных примесей серы и фосфора, а также случайных примесей, вносимых в сталь из шихты, - хрома, никеля, меди, мышьяка.

Конструкционные стали обыкновенного качества выплавляются в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах. Эти стали дешевые и используются для металлоемких строительных конструкций в виде горячекатаного сортового фасонного и листового проката: балок, прутков, швеллеров, уголков, листов, труб и т.д., а также для малоответственных деталей машин: осей, валов, шестерен, втулок, болтов, гаек и т.д.

1.5.2. Качественные конструкционные углеродистые стали для деталей машин

Качественные конструкционные углеродистые стали поставляются по химическому составу и механическим свойствам в соответствии ГОСТ 1050-88. К этим сталям по сравнению со сталями обыкновенного качества предъявляют более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04%, фосфора не более 0,035%).

Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: 0,8, 10,15,20,25,30,35, 40, 45, 50, 55, 60. При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскиления: кп, пс или сп. В случае спокойной стали, степень раскисления не указывается.

Таблица 5.2. Состав углеродистых конструкционных качественных сталей, % (ГОСТ 1050-88)

Марка стали	Массовая доля элементов, %
	Углерода	Кремния	Марганца	Хрома, не более
05кп	Не более 0,06	Не более 0,03	Не более 0,40	0,10
08кп	0,05-0,12	Не более 0,03	0,25-0,50	"
08пс	0,05-0,11	0,05-0,17	0,35-0,65	"
08	0,05-0,12	0,17-0,37	"	"
10кп	0,07-0,14	Не более 0,07	0,25-0,50	0,15
10пс	"	0,05-0,17	0,35- 0,65	"
10	0,07-0,14	0,17-0,37	"	"
11кп	0,05-0,12	Не более 0,06	0,30-0,50	"
15кп	0,12-0,19	Не более 0,07	0,25-0,50	0,25
15пс	"	0,05-0,17	0,35-0,65	"
15	"	0,17-0,37	"	"
18кп	0,12-0,20	Не более 0,06	0,30-0,50	0,15
20кп	0,17-0,24	Не более 0,07	0,25-0,50	0,25
20пс	"	0,05-0,17	0,35-0,65	"
20	"	0,17-0,37	"	"
25	0,22-0,30	"	0,50-0,80	"
30	0,27-0,35	"	"	"
35	0,32-0,40	"	"	"
40	0,37-0,45	"	"	"
45	0,42-0,50	"	"	"
50	0,47-0,55	"	"	"
55	0,52-0,60	"	"	"
58(55пп)1	0,55-0,63	0,10-0,30	Не более 0,20	0,15
60	0,57-0,65	0,17-0,37	0,50-0,80	0,25

Таблица 5.3 Механические свойства углеродистых конструкционных качественных сталей

Марка стали	Механические свойства, не менее
	Предел текучести т, Н/мм2 (кгс/мм2)	Временное сопротивление разрыву в, Н/мм2 (кгс/мм2)	Относительное удлинение, 5, %	Относительное сужение ,%
			%
08	196 (20)	320 (333)	33	60
10	205 (21)	330(34)	31	55
15	225(23)	370(38)	27	55
20	245(25)	410(42)	25	55
25	275(28)	450(46)	23	50
30	295(30)	490(50)	21	50
35	315(32)	530(54)	20	45
40	335(34)	570(58)	19	45
45	355(36)	600 (61)	16	40
50	375(38)	630(64)	14	40
55	380(39)	650(66)	13	35
58(55пп)	315(32)	600(61)	12	28
60	400(41)	680(69)	12	35

Низкоуглеродистые стали марок 05 кп, 08, 08кп, 10, 10кп обладают высокой пластичностью и невысокой прочностью. Эти стали без термообработки применяются для малонагруженных деталей (прокладки, шайбы, змеевики, штампованные детали, капоты тракторов, кузова автомобилей, элементы сварных конструкций и т.д.). Низкоуглеродистые стали с повышенным количеством углерода (15,20,20кп,25) применяются после цементации и закалки с отпуском для деталей, работающих на износ: оси, втулки, шестерни, шпиндели, вилки и т.д.

Среднеуглеродистые стали 30,35,40,45,50,55, 60 применяются в основном после закалки и высокого отпуска для изготовления, валов, осей, зубчатых колес, шестерен, штоков, бандажей и т.д.

Высокоуглеродистые стали, содержащие углерода более 0,6% поставляются по ГОСТ 14959-79 "Сталь конструкционные рессорно-пружинная". Эти стали марок 65,70,75,80,85 используются для изготовления пружин, рессор, амортизаторов, прокатных валков, бандажей вагонов и т.д.

Таблица 5.4 Состав и свойства конструкционных углеродистых рессорно-пружинных сталей (ГОСТ 14959-79)

Марка стали	Состав сталей, %	Механические свойства, не менее
	С	Мn	Si	Cr	0,2, МПа	в, Мпа	, %	, %
65	0,62-0,70	0,50-0,80	0,17-0,37	не более 0,25	420	710	10	30
70	0,67-0,75	"	"	"	430	730	9	"
75	0,72-0,80	"	"	"	900	1100	7	"
80	0,77-0,85	"	"	"	950	1100	6	"
85	0,82-0,90	"	"	"	1000	1150	6	"

Механические свойства сталей 75,80 и 85 весьма высоки, так как определяются после закалки и среднего отпуска.

1.5.3. Инструментальные углеродистые стали

Инструментальные стали - это большая группа сталей, которые в результате термической обработки получают высокую твердость и износостойкость, необходимые при обработке материалов резанием или давлением. Углеродистые инструментальные стали содержат углерода от 0,65 до 1,35%. Эти стали подразделяются на качественные и высококачественные. Высококачественные стали отличаются от качественных меньшим содержанием вредных примесей серы (на 0,01%) и фосфора (на 0,005%). Меньшее количество серы требует уменьшения количества марганца. Кроме того, более жестко регламентируется содержание никеля и меди.

Маркируются эти стали следующим образом: впереди ставится буква "У", что значит углеродистая; за ней стоит цифра, обозначающая среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если сталь высококачественная, то после цифры стоит буква "А".

Таблица 5.5 Состав углеродистых инструментальных сталей (ГОСТ 1435-90)

Марка стали	С	Мn	Не более
			Ni	S	Р
У7 У7А	0,65-0,74	0,17-0,33 0,17-0,28	0,25 0,20	0,028 0,018	0,030 0,025
У8 У8А	0,75-0,84	0,17-0,33 0,17-0,28	0,25 0,20	0,028 0,018	0,030 0,025
У9 У9А	0,85-0,94	0,17-0,33 0,17-0,28	0,25 0,20	0,028 0,018	0,030 0,025
У10 У10А	0,95-1,04	0,17-0,33 0,17-0,28	0,25 0,20	0,028 0,018	0,030 0,025
У11 У11А	1,05-1,14	0,17-0,33 0,17-0,28	0,25 0,20	0,028 0,018	0,030 0,025
У12 У12А	1,15-1,24	0,17-0,33 0,17-0,28	0,25 0,20	0,028 0,018	0,030 0,025
У13 У13А	1,25-1,35	0,17-0,33 0,17-0,28	0,25 0,20	0,028 0,018	0,030 0,025
Для всех марок содержание кремния 0,17-0,33%, хрома - не более 0,20%

С увеличением количества углерода растет износостойкость стали при незначительном увеличении твердости и падает вязкость стали.

Назначение инструментальной углеродистой стали различных марок следующее: У7-У7А применяется для инструментов и изделий, подвергающихся толчкам и ударам и требующих высокой вязкости при умеренной твердости (зубила, молотки слесарные и кузнечные, штампы, клейма, масштабные линейки, инструмент по дереву, центра токарных станков и т.д.); У8 - У8 - для инструментов и изделий, требующих повышенной твердости и достаточной вязкости (пробойники, зубила, кернеры, пуансоны, ножи и ножницы по металлу, отвертки, столярный инструмент); У9-У9А – для инструментов, требующих высокой твердости при некоторой вязкости (штемпеля, кернеры, зубила, столярный инструмент); У10-У10А - для инструментов, не подвергающихся сильным толчкам и ударам и требующих высокой твердости при незначительной вязкости (строгальные резцы, фрезы, метчики, развертки, плашки, буры по твердым породам, ножовочные полотна, фасонные штампы, зубила для насечки напильников, волочильные кольца, калибры, напильники); У11-У11А, У12-У12А - для инструментов, требующих высокой твердости (напильники, шаберы, фрезы, сверла, бритвы, плашки, часовой инструмент, пилы по металлу); У13-У13А - для инструментов, которые должны иметь исключительно высокую твердость (бритвы, шаберы, волочильный инструмент, сверла, зубила для насечки напильников, косы и др.).

1.6. Маркировка легированных сталей

Легированной называют сталь, в которой наряду с обычными примесями и технологическими добавками содержатся специально вводимые легирующие элементы: марганец (более 0,8%), кремний (более 0,5%), хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др. Часто легирующие элементы определяют название легированной стали: хромистая, никелевая, хромоникелевая, кремнистая и т.д. Легирующие элементы значительно повышают механические свойства (прочность, вязкость, износостойкость), технологические (прокаливаемость), физические (электросопротивление, магнитные) и специальные эксплуатационные характеристики: коррозионную стойкость, красностойкость, жаростойкость, жаропрочность и т.д. По назначению легированные стали делятся на три группы: конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами.

В основу обозначения марок легированных сталей положена буквенно-цифровая система. Буквенное обозначение легирующих элементов не совпадает с химическими символами.

Таблица 6.1 Обозначение легирующих элементов в сталях

Название	Химический символ	Маркировочное обозначение	Название	Химический символ	Маркировочное обозначение
Марганец	Мn	Г	Кобальт	Со	К
Кремний	Si	С	Алюминий	АI	Ю
Хром	Сr	Х	Медь	Сu	Д
Никель	Ni	Н	Бор	В	Р
Вольфрам	W	В	Ниобий	Nb	Б
Ванадий	V	Ф	Цирконий	Zr	Ц
Титан	Тi	Т	Фосфор	Р	П
Церий	Cе	Ч	Азот	N	А (внутри марки)
Молибден	Мо	М

Для конструкционных марок первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента больше 1%, то после буквы указывается его среднее значение в целых процентах. Если содержание легирующего элемента около 1% или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится.

В качестве основных легирующих элементов в конструкционных сталях применяют хром до 2%, никель 1-4%, марганец до 2% , кремний до 2%. Такие легирующие элементы, как Мо, W, V, и Тi, обычно вводят в сталь в сочетании с Сr и Ni с целью дополнительного улучшения физико-механических свойств. Их количество в конструкционных сталях не превышает 1%. Суммарное количество легирующих элементов в конструкционных сталях обычно не превышает 7-8%.

Поставляются конструкционные легированные стали по ГОСТ4543-71. По количеству углерода они делятся на две группы: малоуглеродистые цементуемые стали, содержащие углерода до 0,2% и подвергаемые поверхностному насыщению углеродом, и среднеуглеродистые улучшаемые стали, содержащие 0,25-0,5% углерода и подвергаемые упрочнению путем закалки и высокого отпуска (улучшению). Выплавляются легированные стали по количеству вредных примесей только качественными, содержащими серы и фосфора меньше 0,035% каждого и высококачественными, содержащими этих элементов менее 0,025%. Высококачественные обозначаются буквой "А" в конце марки.

Таблица 6.2 Состав некоторых конструкционных легированных сталей (ГОСТ 4543-71)

Марка стали	Содержание элементов. %
	С	Мn	Si	Сr	Ni	S	Р	Другие
						не более
Цементуемые стали
15ХФ	0,12-0,18	0,40-0,70	0,17-0,37	0,80-1,10	до 0,30	0,035	0,035	0,06-0,12V
20ХН	0,17-0,23		"	0,45-0,75	1,0-1,4			-
18ХГТ		0,80-1,10	"	1,0-1,3	до 0,30			0,03-0,09Тi
18Х2Н4МА	0,14-0,20	0,25-0,55	"	1,35-1,65	4,0-4,4	0,025	0,025	0,30-0,40 Мо
Улучшаемые стали
40Х	0,36-0,44	0,50-0,80	"	0,80-1,10	До 0,30	0,035	0,035	-
30ХГС	0,28-0,35	0,80-1,10	0,9-1,2		"	"	"	-
40ХНМА	0,37-0,44	0,50-0,80	0,17-0,37	0,6-0,9	1,2-1,6	0,025	0,025	0,15-0,25 Мо
38ХН3МФА	0,30-0,42		"	1,2-1,5	3,0-3,4	"	"	0,35-0,45 Мо 0,1-0,2V

В инструментальных сталях в начале ставится цифра, показывающая содержание углерода в десятых долях процента: 7ХФ, 3Х2В8Ф и т.д. Как правило, это однозначная цифра. Если углерода 1% или больше, то начальная цифра не ставится: ХГ, ХВГ. Исключение из этого правила составляют 2 марки: 11ХФ и 13Х.

Стали с особыми свойствами (жаростойкие, жаропрочные, нержавеющие) не имеют особого способа обозначения. Они маркируются по схеме, разработанной для конструкционных легированных сталей (в начале марки стоит двухзначная цифра, обозначающая процент углерода в сотых долях процента): 08Х13, 12Х17, 12Х18Н10Т, 40Х10С2М, 55Х20Г9АН4 и т.д.

Если суммарная доля легирующих элементов в конструкционной машиностроительной стали не превышает 7-8%, то стали с особыми свойствами имеют суммарную долю легирующих элементов выше 10%, причем в большинстве случаев намного выше. Поставляются стали с особыми свойствами по стандарту: ГОСТ 5632-72.

Таблица 6.3 Состав некоторых легированных инструментальных сталей (ГОСТ5950-73)

Марка стали	Содержание элементов, %
	С	Si	Мn	Сr	W	Мо	V	Ni
8ХФ	0,70-0,80	0,15-0,35	0,15-0,40	0,40-0,70	-	-	0,15-0,30	-
ХВ4	1,25-1,45				3,50-4,30	-	0,15-0,30	-
9ХС	0,85-0,95	1,20-1,60	0,30-0,60	0,95-1,25	-	-	-	-
ХВГ	0,90-1,05	0,15-0,35	0,80-1,10	0,90-1,20	1,20-1,60	-	-	-
Х12М	1,45-1,65		0,15-0,40	11,0-12,5	-	0,40-0,60	0,15-0,30	-
5ХНМ	0,50-0,60		0,50-0,80	0,50-0,80	-	0,15-0,30	-	1,40-1,80
4Х5МФС	0,32-0,40	0,80-1,20	0,15-0,40	4,50-5,50	-	1,20-1,50	0,30-0,50	-
3Х2В8Ф	0,30-0,40	0,15-0,40		2,20-2, 70	7,50-8,50	-	0,20-0,50	-
5ХВ2С	0,45-0,55	0,55-0,80		1,00-1,30	2,00-2,50	-	-	-
11ХФ	1,05-1,15	0,15-0,35	0,40-0,70	0,40-0,70	-	-	0,15-0,30	-
13Х	1,25-1,40		0,30-0,60		-	-		-
Содержание серы и фосфора не выше 0,030% каждого

1.7. Особые способы маркировки сталей

Указанная выше система маркировка является очень простой и наглядной. Она охватывает большинство углеродистых и легированных сталей. Но для некоторых групп сталей сделаны исключения - введены дополнительные элементы маркировки либо разработаны иные схемы маркировки.

1.7.1. Маркировка сталей для отливок

В первую очередь следует отметить большую и разнообразную по составу группу литейных сталей. Эти стали используют в виде фасонных отливок в тяжелом транспортном и энергетическом машиностроении для станин станков, маховиков, зубчатых колес, тормозных дисков, катков, траверс и т.д. Эти стали маркируются дополнительно буквой "Л", которая ставится после маркировки по стандартной схеме. По составу и назначению это могут быть стали простые углеродистые конструкционные: 15Л, 40Л, 50Л; легированные конструкционные машиностроительные: 40ХЛ, 35ХМЛ, 25ГСЛ, 35ХНЛ, а также стали с особыми свойствами: 10Х18Н9Л, 20Х13Л, 20Х20Н14С2Л, 40Х24Н12СЛ. Поставляются отливки из этих сталей по ГОСТ977-75 и ГОСТ2176-77. Литая сталь по сравнению с деформированной при одинаковом значении пределов прочности и текучести имеет меньшую пластичность и вязкость.

1.7.2. Маркировка автоматных сталей

Характерной особенностью автоматных сталей является хорошая обрабатываемость резанием на металлорежущих станках. Это достигается в первую очередь повышением в автоматных сталях содержания серы до 0,150,35% и фосфора до 0,100,15%. Безусловно эти элементы ухудшают механические свойства сталей, зато производство выигрывает в затратах на механическую обработку, так как получает возможность изготавливать неответственный крепеж (болты, винты, гайки) и мелкие детали в условиях массового производства на быстроходных автоматических линиях. Автоматными сталями являются как углеродистые так и легированные стали.

Маркируются автоматные стали буквой "А", которая ставится в начале марки перед указанием количества углерода: А12, А20, А30, А40Г.

Помимо этих основных элементов (S и Р) в автоматные стали вводят свинец, селен, кальций. Введение этих элементов находит отражение в написании марки. Свинец обозначается буквой "С", а кальций буквой "Ц". Обе эти буквы ставятся после буквы "А" и перед цифрой, обозначающей углерод в марке. Свинецсодержащие марки: АС14, АС40, АС35Г2, АС45Г2, АС30ХМ, АС40ХГНМ. Свинец вводится в количестве 0,150,30%. Кальцийсодержащие марки: АЦ20, АЦ40, АЦ60, АЦ40Х, АЦ35Г2, АЦ30ХМ и др. Количество кальция в марке ничтожно мало: 0,001-0,007%, т.е. не превышает одной сотой процента. А селен, обозначаемый в марке буквой "Е", ставится в конце марки: А35Е, А45Е, А40ХЕ. Количество селена не превышает десятой доли процента.

Автоматные стали поставляются по ГОСТ1414-75.

1.7.3. Стали для подшипников

Элементы подшипников (кольца, ролики, шарики) работают в условиях, которые требует от стали высокой твердости, износостойкости и контактной усталостной прочности. В качестве шарикоподшипниковой стали используют высокоуглеродистые (1%) хромистые стали, а для массивных подшипников в хромистую сталь добавляют повышенное (до1%) количества марганца и кремния.

Стали для подшипников поставляются по ГОСТ 801-78. Особенности маркировки сталей для подшипников: в начале марки ставится буква "Ш", далее стоит индекс основного легирующего элемента хрома и последующая цифра, показывающая содержание хрома в десятых долях процента. Остальные легирующие элементы маркируют так, как принято для легированных сталей.

Таблица 7.1 Состав подшипниковых сталей (ГОСТ801-78)

Марка Стали	Химический состав, %
	Углерод	Марганец	Кремний	Хром
ШХ15	0,95-1,05	0,20-0,40	0,17-0,37	1,30-1,65
ШХ15СГ	0,95-1,05	0,90-1,20	0,40-0,65	1,30-1,65

1.7.4. Маркировка быстрорежущих сталей

Быстрорежущая сталь является инструментальной легированной сталью с особыми свойствами. Особым ее свойством является красностойкость - способность сохранять структуру, высокую твердость и износостойкость до температур порядка 600-620, возникающих в режущей кромке при резании с большей скоростью. Поставляются быстрорежущие стали по ГОСТ19265-73.

Красностойкость стали придает вольфрам, являющийся основным легирующим элементом быстрорежущей стали. Маркируется быстрорез буквой "Р", после которой стоит цифра, обозначающая содержание вольфрама в целых процентах, остальные легирующие - Мо, Со, V - обозначаются обычным способом.

Классическим быстрорезом является чисто вольфрамовая сталь Р9, Р12, Р18. Но вольфрам дорогой элемент. Более дешевым является его аналог молибден, поэтому часть вольфрама заменяют молибденом. Для повышения износостойкости вводят ванадий, а для упрочнения металлической основы - кобальт: Р6М5, Р6М5К5, Р6М5Ф3, Р10К5Ф3, Р6М5Ф2К8. Все быстрорежущие стали содержат около 1% углерода.

1.7.5. Маркировка строительных сталей

Горячекатаный фасонный прокат (уголки, двутавры, швеллеры), листовой, широкополосной прокат, гнутые профили из углеродистых и низколегированных сталей, предназначенных для сварных строительных конструкций, в соответствии с ГОСТ 277-88 подразделяются на условные классы вне зависимости от химического состава и марки стали, принимая во внимание только их механические свойства при растяжении.

Таблица 7.2 Классы и соответствующие им марки сталей для строительных конструкций

Класс стали	Предел текучести, МПа, не менее	Марка стали по ГОСТ и ТУ
Обычная прочность
С235	235	Ст3кп, 18кп
С 245	245	Ст3пс, 18пс
С255	255	Ст3Гпс, 18пс
С 275	275	Ст3пс
С285	285	Ст3сп, Ст3Гсп
Повышенная прочность
С 345	345	09Г2С, 12Г2С, 14Г2
С345Т	"	15ХСНД, Ст3псТ
С345К	"	10ХНДП
С375, С375Д	375	12Г2С, 12Г2СД
С390, С390Т	390	14Г2АФ, 10Г2С1, 10ХСНД
С390К	"	15Г2АФД
Высокая прочность
С440	440	16Г2АФ
С590	590	12Г2СМФ
С590К	"	12ГН2МФАЮ
Буква Т означает термическое упрочнение, Д - наличие в стали меди, К - вариант химического состава.

1.7.6. Магнитные стали

Магнитные стали по магнитным характеристикам делятся на магнитомягкие и магнитотвердые. Эти термины не относятся к характеристике механических свойств материала. Существуют механически мягкие, но магнитотвердые материалы и наоборот.

У магнитомягких материалов маленькая коэрцитивная сила, узкая петля гистерезиса, они легко намагничиваются и перемагничиваются. Используются для изготовления сердечников реле, электрических машин, измерительных приборов, дросселей, трансформаторов, усилителей, магнитных экранов и т.д. Все магнитомягкие материалы делятся на 3 группы:

1. Сталь электротехническая тонколистовая и сортовая нелегированная (техническое железо), ГОСТ3836 -73 и 11035-75;

2. Сталь электротехническая кремнистая, ГОСТ21427-78;

3. Прецизионные магнитомягкие сплавы, ГОСТ10160-75.

Для сталей первых двух групп разработана чисто цифровая система. Нелегированные стали обозначаются пятизначной цифрой: 10895, 20895, 10880, 20880, 10864, 20864, 11895, 21895, 11880, 21880, 11864, 21864.

Первая цифра в марке обозначает способ изготовления стали: 1-горячекатанная, 2-холоднотянутая. Вторая цифра "0" или "1" обозначает, что сталь не легирована и имеет нормируемый или ненормируемый коэффициент старения (упрочнения); третья, четвертая и пятая цифры в марке обозначает магнитные характеристики.

Сталь кремнистая электротехническая имеет четырехзначную цифровую марку. Первая цифра может варьироваться от одного до трех и обозначает способ изготовления стали: 1 - горячекатаная, 2 - холоднотянутая, 3 - текстурованная.

Вторая цифра показывает содержание кремния и может варьироваться от нуля до 5, что соответствует примерно среднему содержанию кремния в целых процентах. Две последние цифры указывают на магнитные характеристики:

1211(Si2%), 1312 (Si3%), 1413(Si4%), 1514(Si5%) - горячекатаная сталь;

2111(Si1%), 2212(Si2%), 2312(Si3%), 2412(Si4%), - холоднокатаная сталь;

3411(Si4%), 3412(Si4%), 3413(Si4%), 3415 (Si4%) - текстурованная сталь.

Третья группа сплавов содержит никеля от 45 до 78% с добавками железа и кобальта. Эти сплавы называются пермаллоями и используются в приборе для работы в слабых полях.

Если в качестве электротехнической стали используется практически безуглеродистые сплавы, то для постоянных магнитов используется сталь с содержанием углерода около 1%. Улучшение магнитных свойств достигается легированием хромом, вольфрамом, молибденом и кобальтом. Маркируются эти стали буквой Е, которая ставится первой в марке, далее обозначение стандартное. Поставляются стали по ГОСТ6862-71: ЕХ3, ЕВ6, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2. Стали используются после закалки и отпуска.

1.7.7. Стали специальных способов выплавки

Для получения высококачественного металла применяют различные способы обработки жидкого металла или переплава с целью удаления вредных примесей, газов, неметаллических включений, повышение однородности структуры. Эти дополнительные способы переработки находят дополнительное отражение в написании марки стали:

1. 15ХА-СШ, 12Х2Н4МА-СШ, 35ХМФА-СШ, 35ХН3МА-СШ стали, прошедшие дополнительную обработку синтетическими шлаками в ковше.

2. ШХ15-Ш, ШХ15СГ-Ш, 95Х18-Ш, 18Х2Н4МА-Ш – стали, подвергнутые электрошлаковому переплаву;

3. 12Х18Н10Т-ВИ, 03Х18Х12Б-ВИ – стали, выплавленные в вакуумно-индукционных печах.

1.7.8. Нестандартные легированные стали

Нестандартные стали выпускаются заводом "Электросталь" и обозначаются сочетанием букв "ЭИ" (электросталь исследовательская) или «ЭП» (электросталь пробная). Легированную сталь, выпускаемую Златоустовским металлургическим заводом, маркируют буквами "ЗИ". Во всех случаях после буквенного индекса стоит порядковый номер стали, например, ЭИ417, ЭП767, ЗИ8 и т.д. Состав таких сталей можно найти только в специальных марочниках на электросталь. После освоения марки металлургическими и машиностроительными заводами условные обозначения заменяют общепринятой маркировкой, отражающей химический состав стали.

1.8. Чугуны

Сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода превышает 2%, называются чугунами. Углерод в чугуне может находиться в двух состояниях: связанном в виде соединения Fe3C и свободном в виде графита. Чугуны, в которых углерод полностью связан, называются белыми. Соединение Fe3C называется цементитом. Цементит очень твёрдый, но хрупкий. Поэтому белые чугуны не нашли промышленного применения.

 Чугуны, содержащие основную массу углерода в виде графита, называются графитными или графитосодержащими. В зависимости от технологии получения графитных чугунов форма графитных включений различна. В свою очередь, от формы графитных включений зависит уровень механических свойств чугунов. По форме графита чугуны делятся на 3 группы: серые, высокопрочные и ковкие.

Серые чугуны имеют пластинчатую форму графита. Графит такой формы, являясь по существу трещиной или надрезом внутри металла, особенно сильно ослабляет чугун при приложении растягивающей нагрузки, поэтому прочностные характеристики его не высоки. Серый чугун маркируется буквами СЧ и двузначной цифрой, показывающей минимальное значение предела прочности на растяжение.

Таблица 8.1 Механические свойства серого чугуна (гост 1412-85)

Марка чугуна	Предел прочности при растяжении, в, МПа (кгс/мм2)	Твердость, НВ, кгс/мм2, не более	Примечание
СЧ10	 100(10)	190
СЧ15	 150(15)	210
СЧ20	 200(20)	230
СЧ25	 250(25)	245
СЧ30	 300 (30)	260
СЧ35	 350 (35)	275
СЧ18	 180 (18)	Не оговорено ГОСТ1412-85	Допускается по требованию потребителя.
СЧ21	 210 (21)	То же	То же
СЧ24	 240 (24)	То же	То же

Серый чугун обладает рядом положительный качеств, благодаря чему он нашел широкое применение: обладает высокими литейными свойствами, хорошо обрабатывается на станках, ему присущи хорошие антифрикционные свойства, он дешев.

Высокопрочный чугун имеет шаровидную форму графита. Округлые включения не создают резкой концентрации напряжений, поэтому такой чугун лучше сопротивляется растягивающей нагрузке. Получают шаровидную форму графита путем введения в чугун перед разливкой магния. Условное обозначение марки включает буквы ВЧ и цифры, показывающие минимальное значение предела прочности при растяжении.

Благодаря высоким прочностным характеристикам высокопрочный чугун применяют вместо стали для изготовления особо нагруженных деталей: коленчатых валов, распредвалов, различных кулачковых валиков и т.д.

Таблица 8.2 Механические свойства высокопрочного чугуна (ГОСТ 7293-85)

Марка чугуна	Предел прочности при растяжении, в, МПа (кгс/мм2)	Предел текучести, т, МПа (кгс/мм2)	Относительное удлинение, , %	Твердость по Бринеллю, НВ
не менее
1	2	3	4	5
ВЧ35	350(35)	220(22)	22	140-170
ВЧ40	400(40)	250(25)	15	140-202
ВЧ45	450(45)	310(31)	10	140-225
ВЧ50	500(50)	320(32)	7	153-225
ВЧ60	600(60)	370(37)	3	192-277
ВЧ70	700(70)	420(42)	2	228-302
ВЧ80	800(80)	480(48)	2	248-351
ВЧ100	1000(100)	700(70)	2	270-360

Ковкий чугун имеет хлопьевидную форму графита и по прочности занимает промежуточное положение между серыми и высокопрочными чугунами. Получают такой чугун отжигом (томлением) белого чугуна.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ, означающими ковкий чугун, затем идут два числа: первое число показывает предел прочности при растяжении, второе - относительное удлинение. Например, марка КЧ60-3 означает, что чугун имеет в=60кгс/мм2 и =3%.

Ковкий чугун применяют для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Ковкий чугун применяют главным образом для тонкостенных деталей в отличие от высокопрочного чугуна, который используется для деталей большого сечения.

Таблица 8.3 Механические свойства ковкого чугуна (ГОСТ 1215-79)

Марка ковкого чугуна	Предел прочности при растяжении, в, МПа (кгс/мм2),	Относительное удлинение, , %	Твердость по Бринелю, НВ
не менее
КЧ30-6	294(30)	6	100-163
КЧ33-8	323(33)	8	100-163
КЧ36-10	333(35)	10	100-163
КЧ37-12	362(37)	12	110-163
КЧ45-7	441(45)	7*	150-207
КЧ50-5	490(50)	5*	170-230
КЧ55-4	539(55)	4*	192-241
КЧ60-3	588(60)	3	200-260
КЧ65-3	637(65)	3	212-269
КЧ70-2	686(70)	2	241-285
КЧ80-1,5	784(80)	1,5	270-320
*- по согласованию изготовителя с потребителем допускается понижение на 1%.

1.9. Порошковые материалы

Порошковыми называются материалы, изготовленные из металлических порошков или их смесей с неметаллическими порошками. Порошком считается смесь частиц размером до 1мм. Образование изделий из порошков основано на принципах технологии изготовления керамических изделий (кирпичей, фарфора, силикатных плиток и т.д.) путем прессования смесей порошков, спекания подготовленных композиций при температурах, обеспечивающих схватывание в монолитное металлокерамическое изделие без полного расплавления. Часто путем спекания получают столь разнородные по природе композиции, которые невозможно получить через расплавление. Производство деталей по металлокерамической технологии практически не имеет отходов, т.е. характерно самым высоким коэффициентом использования металла. Создание биметаллических изделий, где подложкой может служить недорогой материал, позволяет экономить дорогие или дефицитные материалы. А также изделия как металлические пористые фильтры невозможно получить какой-либо другой технологией, кроме спекания порошков. При получении вольфрама, молибдена, ниобия, титана, тантала и других материалов металлокерамика единственный способ получения монолитных полуфабрикатов для дальнейшей переработки. Эта технология широко используется для получения изделий радиоэлектроники и электротехники (ферриты, магнитотвердые спеченные материалы, термоэлементы, контакты, резисторы и т.д.), для изготовления узлов трения (фрикционные и антифрикционные материалы), материалы и изделия для атомной энергетики.

Но наибольшую известность и распространение получили инструментальные сверхтвердые материалы. Они состоят из карбидной фракции (WС, ТiС, ТаС) и кобальтовой металлической связки. По химическому составу инструментальная металлокерамика делится на 3 группы:

1. Вольфрамокобальтовая (или вольфрамовая), обозначаемая буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта; сплав ВК3 содержит 3% кобальта и 97% WC;

2. Титано-вольфрамо-кобальтовая (или титановая) обозначается буквами ТК; цифра, стоящая после буквы Т, указывает количество карбидов титана, цифра после К - количество кобальта, остальное WC; сплав Т5К10 содержит 5% ТiC, 10%Со, 85% WC;

3. Титано-тантало-вольфрамо-кобальтовые сплавы (или титано-танталовые) обозначаются индексом ТТК, цифра после букв ТТ показывает суммарное содержание ТiC + ТаС, цифра после буквы К - содержание кобальта, остальное WC; в сплаве ТТ7К12 содержится 12%Со, 81% WC, 7% ТiC +ТаС.

Таблица 9.1 Химический состав (%) и твердость некоторых металлокерамических твердых сплавов

(ГОСТ 3882-74)

Сплав	Карбид вольфрама	Карбид титана	Карбид тантала	Кобальт	Твердость, НRА, не менее
ВК3	97	-	-	3	89,5
ВК3М	97	-	-	3	91,0
ВК6	94	-	-	6	88,5
ВК6М	94	-	-	6	90,0
ВК6В	94	-	-	6	87,5
ВК15	85	-	-	15	86,0
ВК25	75	-	-	25	83,0
Т3ОК4	66	30	-	4	92,0
Т15К6	79	15	-	6	90,0
Т14К8	78	14	-	8	89,5
Т6К10	85	6	-	9	88,5
ТТ7К12	81	4	3	12	87,0
ТТ10К8	82	3	7	8	89,0

1.10. Медь и сплавы на основе меди

Чистая медь по своим свойствам близка к серебру и золоту. Последние не окисляются на воздухе и называются благородными металлами. Медь окисляется слабо и считается полублагородным металлом. Поэтому медь (в виде сплавов) широко используется в ювелирном деле и при отливке скульптур.

Но особо ценными являются ее технические свойства - электропроводность и теплопроводность. Высокая электропроводность обуславливает ее преимущественное применение в электротехнике как проводникового металла. После серебра медь стоит на втором месте по электропроводности. Все примеси и наклеп уменьшают электропроводность. Поэтому, если провода не должны быть особо прочными, применяют отожженную медь. Для подвесных проводов, где требуется прочность, применяют нагартованую медь или медь с добавками упрочнителей. Высокие теплопроводные свойства меди используются при изготовлении нагревательных индукторов, кристаллизаторов и т.д.

Медь поставляется по ГОСТ 859-78 и маркируется буквой М с цифровым индексом, который показывает степень чистоты меди. Поскольку степень очистки от примесей зависит от технологии получения меди, после цифрового индекса могут стоять буквы, обозначающие: к - катодная, б - безкислородная, р - раскисленная, вч - высокая чистота.

Медь может содержать в своем составе до 12 примесей.

МВЧк	99,993% Сu,	остальное	0,007%	примеси
МООк, МООб	99,99% Сu,	"	0,01%	"
МОк, МОб	99,95% Cu	"	0,05%	"
М1, М1к, М1р	99,90% Cu	"	0,10%	"
М2, М2р	99,70% Cu	"	0,30%	"
М3, М3р	99,50% Cu	"	0,50%	"

Следующим положительным качеством меди является ее способность сплавляться со многими элементами, приобретая положительные свойства. Поэтому медь является основой многих распространенных сплавов: латуней, бронз и медно-никелевых сплавов (мельхиор, монель, нейзильбер, константан и др.).

1.10.1. Латуни

Латуни - сплавы меди с цинком. Обозначаются латуни буквой Л и цифрами, указывающими процент меди в сплаве. Согласно ГОСТ15527-70 нормировано 8 марок простых латуней Л96, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68, Л63 и Л60. До ста процентов в сплаве содержится цинк.

Если латуни содержат третий, четвертый компонент и более, то такие латуни именуются сложными или специальными. Все добавляемые в латуни элементы обозначаются начальными буквами от названия химического элемента:

О - олово	С - свинец	А - алюминий
Ж – железо	Н - никель	К - кремний
Мц - марганец	Мш - мышьяк

Обозначаются сложные латуни следующим образом: после "Л" стоят индексы легирующих элементов, первая после букв двузначная цифра - содержание меди, последующие цифры - содержание компонентов в той последовательности, в какой приведены в буквенной части. Например, ЛМцОС 58-2-2-2 содержит 58% - Сu, и по 2% марганца, олова и свинца, 36% - Zn (остальное).

Таблица 10.1 Марки, состав и назначение латуней, ГОСТ 15527-70

Латунь	Марка	Состав, %	Примерное назначение латуни
		Медь	Легирующие
Алюминиевая	ЛА 77-2	76-79	1,75-2,5 АI	Детали, работающие в морской воде
Кремнистая	ЛК 80-3	78-81	3,0-4,5 Si	``
Свинцовая	ЛС 59-1	57-61	0,8-2,0 Рb	Сепараторы для подшипников, втулки.
Марганцевая	ЛМц 58-2	57-60	1,0-2,0 Мn	Детали упорных и опорных подшипников
Марганцево-оловяно-свинцовая	ЛМцОС58-2-2-2	57-60	1,5-2,5 Мn 1,5-2,5 Sn 1,5-2,5 Рb	Зубчатые колеса
Алюминиево-железисто- марганцовистые	ЛАЖМц 66-6-3-2	64-68	5-7 АI 2-4 Fе 1,5-2,5 Мn	Гайки, винты, червячные винты
Марганцево-никеле-железо-алюминиевая	ЛМцНЖА60-2-1-1-1	58-62	0,5-1,0 Ni 0,5-1,0 АI 0,5-1,1 Fе 1,5-2,5 Мn	Арматура, работающая на воздухе, в воде, масле, жидком топливе

Латуни подразделяются на деформируемые и литейные. Литейные латуни имеют последней букву "Л": ЛК-80-3Л, ЛАЖ60-1-1-Л, ЛС59-1Л и поставляются в виде чушек по ГОСТ 1020-77.

1.10.2. Бронзы

Классической бронзой является сплав меди с оловом. Но ввиду дефицитности олова и желания получить более широкий спектр свойств широкое применение нашли сплавы меди с алюминием, кремнием, марганцем, бериллием и др. Обозначение бронз начинается с букв "Бр", после которых ставятся буквы, обозначающие добавки, а затем цифры, указывающие процент добавок: бронза БрОЦ 4-3 содержит 4% олова, 3% цинка и 93% меди. В бронзы вводятся те же элементы, которыми легируют латунь, и обозначаются они так же. Но два элемента фосфор и бериллий встречаются только в составе бронз. Фосфор вводится в оловянистые бронзы как раскислитель, устраняющий хрупкие включения окиси олова (SnО). А бериллий в количестве в количестве 2% создает оригинальную термически упрочняемую бронзу БрБ2.

Бронзы по способу обработки или способу получения делятся на деформируемые и литейные. Литейные бронзы отмечаются буквой "Л" в конце марки: БрАЖН10-4-4Л.

По химическому составу бронзы делятся на 2 группы, поставляемые по ГОСТам:

1. Бронзы оловянистые ГОСТ5017 – 74;

2. Бронзы безоловянистые ГОСТ 18175-78.

Таблица 10.2 Химический состав, свойства и назначение некоторых марок бронз ГОСТ 5017-74,

ГОСТ 18175-78

Марка бронзы	Химический состав, %	Свойства	Применение
		Предел прочности, В, МПа	Относи-тельное удлинение , %	Твердость, НВ
БрОФ 8,0-0,30	7,0-8,5 Sn 0,25-0,35 Р	370-450	15-55	750-900	Проволока для сеток целлюлезно - бумажной промышленности
БрОФ-6,5-0,15	6,0-7,0 Sn 0, 10-0,25 Р	350-450	60-70	700-900	Ленты, полосы, прутки, детали подшипников, биметаллы
БрОЦ4-3	3,5-4,5 Sn 2,7-3,3 Zn	320-800	10-25	600-1600	Электротехника, машиностроение, химия в виде лент, полос, прутков, пружины
БрОЦС4-4-2,5	3,0-5,0 Sn 3,5-4,5 Zn 1,5-3,5 Рb	300-550	5-35	600-1100	Ленты, полосы, прокладки для втулок и подшипников
БрОЦСН3-7-5-1	2,4-4,0 Sn 6,0-9,5 Zn 3,0-6,0 Рb 0,5-2,0 Ni	180-210	5-8	400-600	Аппаратура, работающая в морской воде, маслах и слабокоррозионных средах, антифрикционные детали
БрА7	6,0-8,0 АI	580-800	5-10	1800-2300	Упругие элементы: пружины, мембраны, сильфоны
БрАЖ9-4	7-10 АI 2-4 Fе	550	15	1100-1800	Шестерни, гайки силовых винтов, седла клапанов
БрАЖН10-4-4	9,5-110 АI 3,5-5,5 Fе 3,5-5,5 Ni	650	5	1700-2200	Направляющие втулки, клапаны, шестерни, сепараторы подшипников
БрАМц9-2	9,0-10,0 АI 1, 5-2,5 Мn	450-600	5-18	-	Шестерни, червяки, втулки
БрАЖМц10-3-1,5	9,0-11,0 АI 2-4 Fе 1-2 Мn	600	12	1300-2000	Шестерни, подшипники
БрКМц3-1	2,75-3,5 Si 1,0-1,5 Мn	350-850	5-35	1700-2200	Пружины, мембраны, подшипники
БрБ2	1,9-2,2 Ве	400-1500	20-30	1000-3300	Пружины, мембраны, сильфоны
БрБНТ1,7	1,6-1,85 Ве 0,2-0,4 Ni 0,1-0,25 Тi	600-1500	2,0-2,5	1500-3400	Для пружин и других упругих элементов

1.11. Алюминий и сплавы на основе алюминия

Алюминий относится к легким металлам, он почти в 3 раза легче железа. Низкая плотность, невысокая стоимость, большой объем производства (второе место после железа) обусловили широкое применение его в авиационной промышленности. Высокая электропроводность (65% от меди) позволяет применять алюминий для электротехнических целей как проводниковый металл. Провод из алюминия равной электропроводности легче, чем из меди.

Алюминий – химически активный металл, но пленка окиси на поверхности алюминия надежно защищает металл от дальнейшей коррозии. Азотная и органические кислоты не действуют на алюминий. Отсюда широкое применение алюминия в химической промышленности и в быту для хранения и транспортировки продуктов питания.

Высокая пластичность позволяет изготавливать из алюминия различной формы изделия и профили, вплоть до тончайшей фольги, порошка, пудры.

Качество алюминия определяется степенью чистоты и по этому признаку он подразделяется на три группы по ГОСТ 11069-74:

1. Алюминий особой чистоты марки:

А999 содержит 99, 999% Аl и 0,001% примесей

2. Алюминий высокой чистоты марок:

А995	содержит	99,995% Аl	и 0,05%	примесей
А99	-	99,99% Аl	и 0,01%	-
А97	-	99,97% Аl	и 0,03%	-
А95	-	99,95% Аl	и 0,05%	-

3. Алюминий технической чистоты марок: А85, А8, А7, А6, А5, АО содержит от 0,15 до 1,0% примесей.

Применять чистый алюминий в качестве конструкционного материала в промышленности нецелесообразно, так как он имеет низкие прочностные свойства: в60МПа, 0,220МПа. Существенно повысить свойства можно путем сплавления алюминия с кремнием, магнием, марганцем, медью, цинком, причем последние два элемента позволяют упрочнять сплавы закалкой до в700МПа.

Технические алюминиевые сплавы подразделяются на литейные и деформируемые, при этом и те и другие могут использоваться без термического упрочнения или с применением закалки.

1. Сплавы, деформируемые не упрочняемые термической обработкой легированы марганцем и магнием: АМц1 (1%Мn), АМг1, АМг2, АМг3, АМг4, АМг5, АМг6, содержат магния от 1 до 6%, остальное алюминий.

2. Сплавы деформируемые упрочняемые термической обработкой обозначаются буквой Д (дюралюминий) или В (высокопрочный) и условным порядковым номером.

Таблица 11.1 Состав и свойства деформируемых алюминиевых, упрочняемых термообработкой сплавов ГОСТ 4784-74

Марка сплава	Состав сплава, %	Механические свойства
	Сu	Мg	Мn	Zn	Zr	в,МПа	0,2,МПа	,%
Д1	3,8-4,8	0,4-0,8	0,4-0,8	0,3	-	410-490	240-320	14-20
Д16	3,8-4,9	1,2-1,8	0,3-0,9		-	440-540	330-400	11-18
Д18	2,2-3,0	0,2-0,5	 0,2	 0,1	-	-	-	-
В95	1,4-2,0	1,8-2,8	0,2-0,6	5,0-7,0	-	500-600	450-550	8-12
В96	2,0-2,6	2,3-3,0		8,0-9,0	0,1-0,2	700	650	7

3. Алюминиевые сплавы для поковок и штамповок должны иметь кроме высоких механических свойств хорошую пластичность в горячем состоянии. В таких случаях применяют сплавы по составу близкие к дюралюминию. Обозначаются эти сплавы буквами АК и условным порядковым номером.

Таблица 11.2 Состав и свойства сплавов АК, ГОСТ 4784-74

Марка сплава	Состав сплава, %	Механические свойства
	Сu	Мg	Мn	Si	Fe	в, МПа	,%
АК1	3,8-4,8	0,4-0,8	0,4-0,8	до 0,7	до 0,7	380	10
АК4	1,9-2,5	1,4-1,8	0,15-0,35	0,5-1,2	1,1-1,6	-	-
АК6	1,8-2,6	0,4-0,8	0,4-0,8	0,7-1,2	до 0,06	360	7
АК8	3,9-4,8	0,4-1,0	0,4-1,0	0,6-1,2	до 1,0	460	10
Сплав АК4 содержит 1,0-1,5% Ni

Более низкие свойства сплавов типа АК по сравнению с дюралюминием объясняются более грубой структурой этих сплавов. Из дюралей изготавливают более тонкие профили с большей степенью деформации; структура их более однородна мелкозерниста, имеет более высокую прочность и пластичность. Полуфабрикаты из сплавов АК испытывают меньшую степень деформации. Улучшают структурное состояние и упрочняют сплавы АК модифицированием и применением различных видов термообработки. Модифицированные сплавы имеют индекс М после номера сплава, а вид термообработки указывается цифрой от 1 до 8 после буквы М: АК4М4, АК6М7, АК8М3, АК7М2.

4. Для фасонного литья разработаны 3 вида литейных алюминиевых сплавов. Самыми распространенными являются силумины – сплавы алюминия с кремнием. Нормальный силумин содержит 10-13% Si, другие силумины содержат пониженное (8-10%) и низкое (4-6%) количества кремния. Вторая группа литейных сплавов близка по составу к дюралям и содержит в своем составе Сu-Мg- Мn. Последние сплавы называются магналии, т.к. содержат 9,5-11,5% магния.

Литейные сплавы для отливок обозначаются буквами АЛ и цифрой: А – алюминиевый сплав, Л – литейный, цифра - порядковый номер в ГОСТе: АЛ2, АЛ3, АЛ4, АЛ5, АЛ6, АЛ7, АЛ8, АЛ11, АЛ12.

Механические свойства этих сплавов меняются в широких пределах, т.к. зависят от способа литья: в песчаные формы, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением. Кроме того, отливки могут подвергаться различным видам термообработки.

Помимо вышеперечисленных сплавов для фасонных отливок выплавляются сплавы, которые отливаются в чушках. Сплавы в чушках используют в качестве шихты при выплавке других сплавов. Обозначаются сплавы в чушках по ГОСТ 1583-89 с использованием буквенно-цифровой схемы, аналогичной для сталей. При этом вводимые в алюминий элементы обозначаются следующим образом: К - кремний, М - медь, Мг - магний, Ц - цинк.

Таблица 11.3 Марки и состав алюминиевых сплавов в чушках

Группа сплава	Марка сплава	Массовая доля основных компонентов, %
		Магний	Кремний	Марганец	Медь	Цинк
I система АI-Si	АК12 АК9 АК7	- 0,25-0,45 0,20-0,55	10-13 8-11 6,0-8,0	- 0,2-05 0,2-0,6	- - -	- - -
II система АI-Si-Cu	АК5М АК5М7 АК8М3	0,4-0,65 0,3-0,6 -	4,5-5,5 4,5-6,5 7,5-10	- - -	1,0-1,5 6,0-8,0 2,0-4,5	- - -
III система АI-Сu	АМ5 АМ4	- -	- -	0,6-1,0 0,35-0,8	4,5-5,3 4,5-5,1	- -
IV система АI-Мg	АМг7 АМг11 АМг5К	6,0-8,0 10,5-13,0 4,5-5,5	0,5-1,0 0,8-1,2 0,8-1,3	0,25-0,6 - 0,1-0,4	- - -	- - -
V система АI – прочие компоненты	АК7Ц9 АК9Ц6 АЦ4Мг	0,15-0,35 0,35-0,55 1,55-2,05	6,0-8,0 8-10 -	- 0,3-1,5 0,2-0,5	- 0,1-0,6	7,0-12,0 5,0-7,0 3,5-4,5

1.12. Магний и сплавы на основе магния

Среди промышленных сплавов магний обладает наименьшей плотностью (1,7 г/см3), что и обусловило применение его сплавов главным образом в авиационной технике. Магний неустойчив против коррозии. При повышении температуры самовозгорается, поэтому используется в качестве твердого топлива в реактивной технике.

Магний первичный (ГОСТ804-72) выпускается трех марок в соответствии со степенью очистки: Мг96 (содержит 99,96% Мg), Мг95 (99,95% Мg) и Мг90 (99,90% Мg).

Чистый магний в качестве конструкционного материала почти не используется, так как имеет низкую прочность и твердость, но является основой эффективных магниевых сплавов. Как алюминиевые сплавы, сплавы магния также подразделяются на деформируемые и литейные. Первые маркируются буквами МА, вторые Мл, после этих букв стоит цифра, показывающая порядковый номер сплава в ГОСТе.

Таблица 12.1 Свойства и состав некоторых марок деформируемых магниевых сплавов, ГОСТ 14957-76.

Марка сплава	Состав сплава, %	Механические свойства
	АI	Мn	Zn	Zr	Другие	в,МПа	0,2,МПа	,%
МА1	-	1,3-2,5	-	-	-	200-210	100-120	2-8
МА2	3,0-4,0	0,15-0,50	0,2-0,8	-	-	230-280	130-180	6-10
МА5	7,8-9,2	0,15-0,50	0,2-0,8	-	-	320	220	14
МА8	-	1,3-2,2	-	-	Се 0,15-0,35	200	100	3-10
МА10	7,8-8,8	0,2-0,6	-	-	Сd 7,0-8,0	430	300	6
МА11	-	1,5-2,5	-	-	Nd 2,5-3,5	260	130	5
МА14	-	-	5,0-6,0	0,3-0,9	-	320	240	6
МА15	-	-	2,5-3,5	0,45-0,9	Lа 0,7-1,1 Сd 1,2-2,0	290	210	6

Если деформируемые магниевые сплавы имеют плотность около 1,8г/см3 , то группа магниево-литиевых деформируемых сплавов имеет плотность 1,4-1,65г/см3 . За это они названы сверхлегкими. Таких сплавов 3, они содержат от 5 до 18% лития: ИМВ1, ИМВ2, ИМВ3.

Химический состав литейных магниевых сплавов близок к составу деформируемых, но по свойствам они заметно им уступают, особенно по пластичности. Это явление связано с более грубой структурой литейных сплавов. Даже упрочняющая термическая обработка (закалка со старением) не исправляет структуру и не позволяет получить максимально возможные свойства.

Таблица 12.2 Механические свойства литейных магниевых сплавов

Сплав	Состояние	Механические свойства
		в,МПа	0,2,МПа	,%
М5	Без термообработки	160	110	1,5
М5	Закалка + старение	260	150	2
М10	То же	220	125	5

Литейные магниевые сплавы поставляются по ГОСТ 2856-68, выпускаются 14 марок и обозначаются М2, М3, М4, М5, М6 …М15, где цифра - порядковый номер сплава в ГОСТе.

1.13. Титан и сплавы на основе титана

Наряду с высокой прочностью, пластичностью при низкой плотности (почти в 2 раза ниже, чем у железа) титан обладает одним из исключительно важных свойств – он тугоплавкий. Его температура плавления почти в 3 раза выше, чем у алюминия и магния, и на 200 выше, чем у железа.

Именно температурой плавления определяется поведение материала при нагреве. При температурах 600-700С, когда алюминий и магний уже находится в жидком состоянии, титан сохраняет свои свойства и работоспособность практически неизменными. А по коррозионной стойкости он превосходит нержавеющую сталь: морская вода за 400 лет растворяет слой титана толщиной в лист бумаги. Он стоек во многих агрессивных средах. Поэтому титан широко используется в химической промышленности, в авиационной, ракетной и космической технике, в судостроении и т.д. Из титановых сплавов делают обшивку фюзеляжа и крыльев сверхзвуковых самолетов, панели, лонжероны, крепеж и т.д. Он незаменим в двигателях для изготовления лопаток и дисков компрессора, деталей воздухозаборника и других элементов.

В соответствии с технологией изготовления титан металлургами поставляется в виде губчатого титана (титановая губка – ТГ). Маркируется губчатый титан буквами ТГ и через тире цифрой, обозначающей твердость по Бринелю. Чем выше твердость, тем больше примесей имеет титан: ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, Тг-120, ТГ-130,

ТГ-150.

Монолитный титан и его сплавы бывают деформируемыми и литейными. Согласно ГОСТ 19807-74 на титан и титановые сплавы, обрабатываемые давлением, выпускаются две марки чистого титана ВТ1-00 и ВТ1-0, которые различаются суммой примесей: 0,58% и 0,84% соответственно. Прочность чистого титана колеблется в пределах 300-380 МПа при высокой пластичности (2030%).

Титановые сплавы выпускаются 14 марок, которые маркируются буквами ВТ, ОТ или ПТ и порядковой цифрой. Буквы В, О и П указывают на организацию-разработчика этих сплавов. Если после порядкового номера сплава стоит буква С или через тире ноль или единица, то это указывает, что сплав модернизирован, изменен по химическому составу. Состав титановых сплавов очень сложен, согласно ГОСТ оговаривается до 10 элементов. Но основными легирующими являются алюминий, молибден, ванадий. В меньших количествах вводятся хром, цирконий и марганец.

Литейные титановые сплавы применяются для производства отливок. Состав этих сплавов аналогичен деформируемым сплавам, но прочность их ниже на 100-200МПа, а пластичность колеблется в пределах 4-10%, что существенно ниже. Обозначаются литейные сплавы буквами ВТ и порядковым номером, после которого ставится знак Л. Разработано 8 марок литейных титановых сплавов: ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, ВТ20Л, ВТ3-1Л, ВТ9Л, ВТ21Л.

Таблица 13.1 Состав и свойства титана и титановых сплавов, обрабатываемых давлением,

ГОСТ 19807-74

Марка сплава	Состав сплава, %	Механические свойства
	АI	Мо	V	Мn	Сr	Zr	в,МПа	,%
ВТ1-00	Основа титан, сумма примесей не более 0,5%	300	20-30
ВТ1-0	Основа титан, сумма примесей не более 0,84%	380	20-30
ОТ4-0	0,2-1,4	-	-	0,2-1,3	-	-	420	20-30
ОТ4-1	1,0-2,5	-	-	0,7-2,0	-	-	600	13-25
ОТ4	3,5-5,0	-	-	0,8-2.0	-	-	700	10-20
ВТ5	4,3-6,2	-	-	-	-	-	750	8-15
ВТ5-1	4,3-6,0	-	-	-	-	Sn 2,0-3,0	850	10-12
ВТ6С	5,3-6,8	-	3,5-5,0	-	-	-	1000	8-10
ВТ3-1	5,5-7,0	2,0-3,0	-	-	0,8-2,3	-	-	-
ВТ9	5,8-7,0	2,8-3,8	-	-	-	0,8-2,0	-	-
ВТ14	3,5-6,3	2,5-3,8	0,9-1,9	-	-	-	1100-1200	4-6
ВТ16	1,8-3,8	4,5-6,5	4,0-5,5	-	-	-	-	-
ВТ20	5,5-7,5	0,5-2,0	0,8-1,8	-	-	1,5-2,5	950	8-12
ПТ-7М	1,8-2,5	-	-	-	-	2,0-3,0	-	-
ПТ-3В	3,5-5,0	-	1,2-2,5	-	-	-	-	-

1.14. Содержание отчета

Перечислить признаки, по которым классифицируются металлические материалы на группы.

Отразить в отчете основные группы материалов с указанием способа маркировки материалов и расшифровки марок. Привести 2-3 примера маркировки по каждой группе.

Получить у преподавателя тестовое задание с указанием марок. Указать, какие материалы перечислены в тесте, расшифровать все буквы и цифры в марках, а для сталей дополнительно определить, какая эта сталь по составу, назначению, качеству, степени раскисления.

1.15. Контрольные вопросы

Что такое сталь, чугун?

На какие группы делятся стали по составу и назначению?

Какие показатели характеризуют качество стали?

Что такое раскисление стали, какие элементы являются раскислителями?

Какие элементы обеспечивают хорошую обрабатываемость резанием?

Какие стали являются автоматными?

Маркировка шарикоподшипниковой и быстрорежущей стали.

Как отличаются по марке легированные конструкционные стали от легированных инструментальных?

Основная составляющая твердых сплавов, связка. Маркировка твердых сплавов.

Что такое магнитомягкие и магнитотвердые стали?

Что такое латунь и бронза? Их маркировка.

Как маркируются литейные и деформируемые алюминиевые сплавы?

Основные свойства титана, обозначение титановых сплавов.

Лабораторная работа №2. Определение плотности дислокаций методом электронной микроскопии

2.1. Цель работы

1. Ознакомиться с методом электронной микроскопии и конструкцией электронного микроскопа марки ЭМВ-100Л.

2. Ознакомиться со способами приготовления образцов для изучения на электронном микроскопе.

3. Определить плотность дислокаций:

в массивных образцах – по ямкам травления;

в тонкой фольге – по количеству выходов дислокаций на поверхность;

методом секущих.

2.2. Приборы, материалы, учебные пособия

1.Электронный микроскоп.

2.Установка ионной полировки.

3.Установка электрополировки.

4.Лаковые реплики.

5.Фотографии структур дислокаций.

6.Карандаши, линейки.

2.3. Краткие теоретические сведения

Разрешающая способность микроскопа.

Для изучения деталей структуры в металловедении применяется электронный микроскоп, имеющий хорошую разрешающую способность и позволяющий получать большое увеличение объектов.

1. Разрешающей способностью прибора считается величина, обратная наименьшему расстоянию между двумя точками, которые можно воспринимать отдельно. Связь между разрешаемым расстоянием и длиной волны света, используемого в приборе,

(1)

где d – разрешаемое расстояние;

 – длина волны света;

А – апертура объектива микроскопа:

= nsin ,

(2)

здесь n – показатель преломления среды;

 – угол зрения объектива.

Чем больше апертура, тем больше разрешающая способность микроскопа. В современных световых микроскопах удается получить разрешающую способность, сравнимую с длиной волны видимой части спектра.

2. Использование в электронном микроскопе вместо света потока электронов, ускоренных высоким напряжением, позволяет значительно увеличить разрешающую способность при микроанализе.

Длина волны электронов:

(3)

где h – постоянная Планка;

m – масса электрона;

v – скорость движения электрона.

Электроны, ускоренные напряжением 50кВ, движутся со скоростью 1,24×108 м/с, при этом они имеют длину волны порядка сотых долей ангстрема.

3. Современные электронные микроскопы, использующие в качестве носителей света электроны, ускоренные напряжением 100кВ и более, имеют хорошую разрешающую способность. Есть приборы с разрешающей способностью 1,8 Å. Серийно выпускаемые приборы обычно имеют худшую разрешающую способность – 3….10 Å. Разрешающую способность конкретного микроскопа определяют на специальных тест-объектах, имеющих мелкие детали строения с заранее известными размерами.

Улучшение разрешающей способности позволяет примерно в 100 раз повысить полезное увеличение прибора по сравнению со световым микроскопом, т.е. информативность изображения, полученного на электронном микроскопе, может быть в 100 раз больше (полезным считают увеличение, дающую новую информацию об объекте, далее – масштабное увеличение).

2.3.1. Оптическая схема электронного микроскопа.

Принципиального различия в схеме хода лучей, формирующих изображение, между световым и электронным микроскопами нет. В приборах имеются элементы-аналоги. Однако электронные микроскопы работают в проходящем, а металлографические – в отраженном свете. Поскольку вместо света в электронном микроскопе используется поток электронов, то применение обычной оптики невозможно. Электронная оптика представляет собой электромагнитные катушки, создающие магнитное поле необходимой конфигурации. Электроны перемещаются в магнитном поле линз, как свет в обычных световых линзах.

Электронная пушка (1) (рис.1), являющаяся источником электронов, состоит из нагреваемого катода, анода и управляющего электрода. Появление электронов обусловлено термоэлектронной эмиссией нагреваемого катода, изготовленного из тонкой вольфрамовой проволоки. Электроны ускоряются высоким напряжением, прилагаемым между катодом и анодом. Действие электронной пушки аналогично действию линейного ускорителя заряженных частиц. Управляющий электрон необходим для регулирования плотности потока электронов, испускаемых пушкой, и его действие сравнимо с работой управляющей сетки в радиолампе.

Оптическая схема прибора (рис.1) состоит из четырех электромагнитных линз: конденсорной, объективной, промежуточной и проекционной.

Конденсорная линза (2) необходима для того, чтобы из потока электронов, созданного электронной пушкой, сформировать пучок, параллельный главной оптической оси прибора.

Сформированный конденсорной линзой поток электронов проходит через исследуемый образец и попадает в объективную линзу.

Объективная линза (3) является аналогом объектива светового микроскопа и создает первое увеличенное изображение объекта. После прохождения объективной линзы электроны попадают в промежуточную линзу.

Рис.1 Схема колонны электронного микроскопа: 1 - электронная пушка, 2 - конденсорная линза, 3 - объективная линза, 4 - промежуточная линза, 5 - проекционная линза, 6 - экран, 0 - образец.

Промежуточная линза (4) служит для дальнейшего увеличения изображения микроскопа. Изменяя ток промежуточной линзы, регулируют увеличение микроскопа. По величине этого тока рассчитывают увеличение микроскопа.

Проекционная линза (5) создает окончательное увеличенное электронное изображение объекта на экране. Ее действие сравнимо с действием окуляра светового микроскопа. Увеличение изображения определяется как произведение трех линз: объективной, промежуточной и проекционной.

Экран микроскопа (6) представляет собой металлическую пластину, покрытую слоем сернистого цинка, который флуоресцирует под воздействием падающего на него потока электронов и делает видимым изображение, сформированное в электронном микроскопе. Чем больше плотность потока, тем ярче изображение.

Под экраном располагается фотокамера, позволяющая фотографировать изображение объекта. Для этого следует удалить экран, и поток электронов попадает на фотопластинку, расположенную под ним.

Образование изображения в электронном микроскопе просвечивающего типа зависит от того, как походит поток электронов сквозь образец. Образцом для электронного микроскопа служит пластинка, толщина которой не превышает 2000…2500 Å. В зависимости от того, из какого материала состоит эта пластина (кристаллического или аморфного), образование изображения происходит по-разному. Если образец состоит из аморфного материала, изображение формируется главным образом за счет поглощения электронов материалом образца, обычно имеющего рельеф поверхности. Более толстые участки образца сильнее поглощают и рассеивают поток электронов, за счет чего на экране возникает система из светлых и темных участков, которые и формируют изображение. Если образцом служит пластинка из кристаллического материала, процессом, определяющим появление на изображения, является дифракция электронов на кристаллической решетке. Наблюдение дефектов кристаллического строения обусловлено тем, что вблизи них кристаллическая решетка искажена, поэтому условия дифракции нарушаются, и поток электронов, проходящих вблизи дефекта, отклоняется и не попадает на экран прибора.

Потоки электронов в газах претерпевают значительное рассеивание. Для того, чтобы это явление не влияло на качество изображения, в электронных микроскопах создают вакуум, который делает длину свободного пробега электрона (расстояние между двумя столкновениями) сравнимой с путём, проходимым электроном в микроскопе, чем и достигается хорошее качество изображения.

2.3.2. Способы исследования металлографических объектов на электронном микроскопе

Существуют два основных метода исследования металлографических объектов на электронном микроскопе: прямой и косвенный.

Прямой метод дает возможность непосредственно исследовать в электронном микроскопе изучаемый объект в виде тонкой металлической фольги, прозрачной для электронов (~2500 Å) и позволяет полностью использовать разрешающую способность прибора, т. е. увидеть объекты размером 3 Å.

Три требования к образцам:

а) образец должен быть достаточно тонок (~2500 Å);

б) поверхности должны быть идеально полированы (без рельефа);

в) структура образца идентична структуре исследуемого материала.

Из массивного образца с минимальными подачами и обильным охлаждением вырезают пластинку толщиной не менее 0,3 мм.

До толщины 0,1мм пластинку шлифуют вручную мелкой шкуркой, после чего прекращают механическое воздействие на образец.

Дальнейшее утонение образца производят химической или электрохимической полировкой. При электрохимической полировке образец служит анодом электролитической ячейки, а весь процесс называется «анодное растворение», которое идет до момента появления отверстия в образце. Край отверстия имеет клинообразное сечение, его тонкая часть прозрачна для потока электронов.

Существенным является получение полированной поверхности – наличие рельефа приводит к появлению его изображения на экране, что недопустимо.

Косвенный метод используют при исследовании поверхности массивных металлических тел, непрозрачных для электронных пучков. Под микроскопом рассматривают не сам изучаемый объект, а отпечаток с поверхности, являющийся его копией и позволяющий получить представление о структуре сплава. Этот отпечаток (реплика) прозрачен для электронов. В настоящее время используют лаковые, угольные, кварцевые, из закиси кремния и другие отпечатки. Для приготовления лаковых реплик применяют 2%-ный раствор очищенной нитроклетчатки (коллодия) в амилацетате. Каплю раствора коллодия наносят на протравленную поверхность шлифа, которая сушится до полного испарения амилацетата.

На поверхности шлифа остается тонкая пленка коллодия. Наилучшие результаты получаются при толщине пленки 500-700 Å, контролируемой по окраске поверхности. Окраска обусловлена дисперсией света на тонкой пленке. Оптимальной по толщине является реплика, имеющая соломенно-желтый цвет. Для того чтобы отделить реплику с поверхности, на нее наносят слой 10…20%-ного раствора желатины. После высыхания желатина легко отделяется с поверхности вместе с репликой, ее разрезают на квадраты 3х3мм и отмывают в горячей воде. Желатина растворяется, а оставшиеся квадратики пленки коллодия (реплики) вылавливают на мелкие сеточки. Контрастность получаемых реплик слабая, так как колебания толщины пленки в различных участках невелики. Контрастность и разрешающую способность коллодиевых слепков можно повысить оттенением тяжелыми металлами: золотом, хромом, марганцем – испарением и осаждением их на реплике в вакууме. Осаждение атомов ведут под острым углом к рельефной поверхности реплики, поэтому атомы тяжелых металлов задерживаются выступами и не попадают во впадины рельефа. Таким образом, малопрозрачные участки реплики становятся еще более темными, повышая контраст изображения. Использование метода реплик снижает разрешающую способность микроскопа в 1,5…2 раза, так как реплика неточно воспроизводит рельеф изучаемой поверхности.

2.3.3. Приготовление угольно-серебряных реплик.

Лаковые реплики позволяют получать зеркальное изображение рельефа поверхности, потому что выступы на слепке должны соответствовать впадинам на оригинале. Если требуется исследовать не зеркальное, а действительное изображение, изготавливают так называемую двухступенчатую реплику, один из вариантов которой – угольно-серебряная реплика.

Первым этапом ее приготовления является нанесение на исследуемую поверхность слоя серебра напылением его в вакууме на образец. Серебро легко отделяется от поверхности и хорошо копирует ее рельеф. Напыление серебра происходит до тех пор, пока оно не начинает отделяться самопроизвольно. Полученный таким образом серебряный отпечаток создает зеркальное изображение поверхности исходного образца.

Второй этап заключается в нанесении на поверхность серебряного отпечатка слоя аморфного углерода распылением графита в пламени электрической дуги, которая создается в вакууме между двумя электродами. Углерод, оседая на поверхность серебра, образует отпечаток с отпечатка, и рельеф его поверхности совпадает с рельефом поверхности исходного образца. Толщину наносимого слоя углерода контролируют по цвету пленки, процесс прекращают при получении пленки интенсивного коричневого цвета.

Следующий этап изготовления заключается в отделении угольной реплики от серебра. Для этого реплику помещают на поверхность азотной кислоты. Серебро растворяется, а углеродная реплика остается на поверхности. Дальнейшая обработка реплики аналогична обработке лаковой реплики.

2.3.4. Определение плотности дислокаций по электронно-микроскопическим фотографиям

На фотографиях, получаемых при исследовании металлических фольг в электронном микроскопе, дислокации имеют вид черных полосок. При работе с электронно-микроскопическим изображением для получения истинных размеров деталей структуры следует измеренные на фотографии размеры делить на увеличение.

По фотографии плотность дислокаций ρ в материале можно определить при условии, что она не превышает 1010 … 1011 см-2. Если в структуре имеются дислокационные сетки, то можно надежно оценить и более высокую плотность дислокаций; при хаотических скоплениях точность определения ухудшается.

Простейший метод расчета ρ – по числу точек выходов дислокаций на поверхность фольги. Если на площади снимка есть N выходов дислокаций, то

(4)

где М – увеличение;

n = N/2 – так как на фотографии видны выходы дислокаций на обе поверхности образца;

F – площадь фотографии, см2

Так как изображение возникает в результате дифракции электронов на кристаллической решетке, то не все дислокации могут быть видимыми из-за различного их расположения в ней. Чтобы учесть при расчете все дислокации, имеющиеся в кристалле, вводят вероятностную поправку P, которая для ОЦК решетки равна 51/72.

Формула (4) с учетом вероятностной поправки приобретает вид:

(5)

Пример расчета: пусть N = 308, площадь фотографии 72 см2,

Увеличение х 40000, ОЦК решетка.

Этот метод достаточно точен для невысокой плотности дислокаций. Когда не все точки фотографии видны достаточно отчетливо, удобнее измерять суммарную длину проекций дислокаций на плоскость фольги L. Для этого обычно используют более точный метод секущих.

(6)

На фотографии проводят линии, суммарная длина которых равна Т.

Далее подсчитывают число пересечений этих линий с дислокациями q.  

Где t – толщина фольги, см

Рис. 2. Гистограмма распределения длины проекций дислокаций.

Определение толщины фольги основано на построении гистограммы распределения длины проекций (рис.2). Толщину фольги определяют по наиболее часто встречающемуся значению длины проекции дислокации lo

(7)

Истинную толщину фольги определяют с учетом увеличения.

Пример расчета: пусть lo, определенная по гистограмме, равна 8,45мм, увеличение х 40000:

При нанесении сетки на фотографию исходят из того, что шаг сетки h должен быть равен 2t.

Тогда суммарная длина секущих линий, включая края фотографий:

(8)

2.3.5. Определение плотности дислокаций методом ямок травления

В массивных образцах дислокационную структуру можно выявить металлографически – травлением шлифов специальными методами. Выявление дислокаций возможно при тепловом, вакуумном, химическом или электролитическом травлении. Дислокациям на поверхности металлографических шлифов соответствуют ямки, которые называются ямками травления. Их образование в районе выходов дислокаций на поверхности связано с тем, что область кристаллической решетки вблизи дислокации имеет избыток энергии, за счет чего облегчено удаление атомов с поверхности твердого тела на этих участках. Различным кристаллографическим плоскостям соответствует разная форма ямок. Например, плоскости (111) соответствуют ямки в виде равносторонних треугольников, а (110) – в виде квадратов.Огранка ямок четко наблюдается при совпадении плоскости шлифа с кристаллографической плоскостью. Отклонение кристаллографической плоскости от шлифа на небольшой угол приводит к искажению формы ямок травления, если это отклонение незначительно.Наличие ямок травления в местах выходов дислокаций на поверхность позволяет определить их плотность и исследовать блочную структуру металла.

Для определения плотности дислокаций площадь фотографии разбивают на несколько одинаковых квадратов и подсчитывают число ямок травления i в квадрате. По нескольким квадратам рассчитывают среднее значение i .

Плотность дислокаций рассчитывают по формуле

(9)

где iср - среднее значение i

М – увеличение микроскопа;

S – площадь квадрата, см2.

Метод ямок травления дает большую погрешность, чем электронно-микроскопические исследования, но проще в исполнении.

2.4. Порядок выполнения работы

Ознакомиться с методами определения плотности дислокаций.

Определить плотность дислокаций по количеству дислокаций:

а) подсчитать число выходов дислокаций N на поверхность;

б) определить площадь фотографии и увеличение;

в) определить вероятностный коэффициент, исходя из типа кристаллической решетки образца;

г) подставить найденные значения в формулу (5).

Определить плотность дислокаций методом секущих:

а) измерить длины проекций дислокаций на плоскость фольги и нанести на гистограмму (рис.2.);

б) определить lo  как наиболее часто встречающуюся длину дислокаций;

в) подсчитать толщину фольги t по формуле (7);

г) нанести на фотографию сетку шагом h = 2t, считая края фотографии элементами сетки;

д) подсчитать число пересечений число линий дислокаций q с линиями нанесенной сетки;

е) измерить суммарную длину Т нанесенной сетки;

ж) определить плотность дислокаций, подставив полученные значения в формулу (6).

Определить плотность дислокаций методом ямок травления:

а) разбить фотографию на квадраты произвольной площади;

б) определить количество ямок травления i для нескольких квадратов и усреднить их;

в) подставить полученные значения в формулу (9).

2.5. Содержание отчета

Основные сведения об электронной микроскопии:

а) схема и описание электронного микроскопа;

б) применение прямого и косвенного методов исследования.

Основные сведения о способах определения плотности дислокаций:

по числу выходов на поверхность;

методом секущих;

по ямкам травления.

Гистограмма распределения дислокаций по длинам.

Сравнение величин плотности дислокаций, рассчитанных разными способами. Анализ результатов.

2.6. Контрольные вопросы

Что называется разрешающей способностью?

Какими способами можно увеличить разрешающую способность прибора?

Почему электронные микроскопы имеют хорошую разрешающую способность?

Что называют полезным увеличением прибора?

Для чего предназначена электронная пушка?

Какую функцию исполняет конденсорная линза?

Какую функцию исполняет объективная линза?

Какую функцию исполняет промежуточная линза?

Какую функцию исполняет проекционная линза?

Для чего в электронном микроскопе создают вакуум?

Каким процессом определяется образование изображения от аморфного образца?

Каким процессом определяется образование изображения от кристаллического образца?

Каков порядок изготовления металлических фольг?

Как определяют увеличение электронного микроскопа?

Как отделяют лаковую реплику?

Как повысить контрастность изображения реплики?

Для чего нужны двухступенчатые реплики?

Как определяют разрешающую способность прибора?

Как определяют толщину лаковой реплики?

Как определяют толщину нанесенного серебра?

Как определяют толщину углеродной реплики?

Как отделяют углеродную реплику от серебра?

Как отделяют лаковую реплику от желатины?

Лабораторная работа №3. Механические свойства конструкционных материалов

3.1. Цель и задачи работы

Ознакомление с основными характеристиками, определяющими механические свойства, приобретение знаний о важнейших количественных параметрах, характеризующих эти свойства, освоение метода определения механических свойств металла.

Изучение принципа работы и устройства разрывной машины, получение представления об операциях обработки диаграмм растяжения. Ознакомление с устройством и принципом работы приборов для испытания на твердость.

Для успешного выполнения работы следует изучить темы: «Свойства металлов и сплавов и методы их определения» [1], «Деформация и механические свойства» [2, 3, 4].

3.2. Условия работы и методы испытания материалов

В широком смысле под механическими свойствами понимают параметры, которые дают информацию о поведении материала под действием внешних нагрузок. Количественные величины этих параметров обусловлены природой взаимодействия молекул и атомов в твердом теле, фазовым составом сплавов, их структурой. Изменения термодинамических параметров (температуры, давления, скорости нагружения) приводят к изменению сил взаимодействия, фазового состава и структуры, и, следовательно, к изменению свойств материалов.

Механические свойства позволяют определить пределы нагрузки для каждого конкретного материала, произвести сопоставимую оценку различных материалов, осуществить контроль качества и пригодность металла в заводских и лабораторных условиях. Результаты определения механических свойств используют в расчетной конструкторской практике при проектировании машин, приборов, конструкций.

К испытаниям механических свойств предъявляется ряд требований. Температурно-силовые условия проведения испытаний должны быть по возможности приближены к служебным условиям работы материалов в реальных изделиях. Вместе с тем методы испытаний должны быть достаточно простыми и пригодными для массового контроля качества.

Большое разнообразие условий эксплуатации материалов, повышение и расширение спектра требований к ним привело к разработке широкого круга методов определения свойств. В зависимости от скорости нагружения испытания являются статическими, когда нагружение производится медленно, нагрузка возрастает плавно или остается постоянной длительное время, либо динамическими, если нагрузка возрастает мгновенно (ударно). При повторно-переменных испытаниях изменяется величина и направление нагрузки. Испытания могут проводиться при комнатных, повышенных, отрицательных (криогенных) температурах. Различны и схемы нагружения образцов: растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез.

Каждая схема нагружения характеризуется коэффициентом «жесткости», представляющим собой отношение максимальных нормальных напряжений к максимальным касательным, которые возникают при испытаниях:

(2.1)

где Smax – максимальные нормальные напряжения, τmax - максимальные касательные напряжения.

Таблица 2.1. Значения коэффициента «жесткости» для различных видов испытаний

№п/п	Вид испытаний	Коэффициент «жесткости», α
1	Растяжение	2,0
2	Изгиб	1,35
3	Кручение	1,27
4	Сжатие	0,54
5	Твердость	0,22

Нормальные напряжения приводят к хрупкому разрушению материала, а касательные ответственны за пластичность. Поэтому, чем больше коэффициент «α» тем более хрупко разрушается материал при испытаниях.

При выборе способа испытания материалов учитывается коэффициент «жесткости». Мягкие и пластичные материалы (большинство цветных металлов и сплавов, малоуглеродистые стали для общего машиностроения, применяемые в сыром, незакаленном состоянии) испытываются на статическое растяжение и, по необходимости, динамический изгиб (ударную вязкость).

Стали среднеуглеродистые, применяемые в термически обработанном (закалка + отпуск на среднюю твердость) состоянии, часто работают на знакопеременные нагрузки. Поэтому, кроме прочностных испытаний на растяжение и динамических - на ударную вязкость, эти стали часто испытываются на повторнопеременное нагружение - усталость.

Для высокоуглеродистых инструментальных сталей, закаливаемых на высокую твердость, испытания на статическое растяжение являются «жесткими». Результаты испытаний имеют большой разброс, что создает определенные методические затруднения. Поэтому эти стали подвергают более «мягкому» способу нагружения: на статический изгиб и статическое сжатие. Проводятся и динамические испытания - на ударную вязкость.

Определение твердости является самым «мягким» видом испытания, пригодным для любых материалов. Методическая простота испытаний на твердость и доступность оборудования сделали этот вид испытаний универсальным. Наряду с вышеперечисленными методами испытаний твердость определяется для всех материалов в любом состоянии: упрочненном и неупрочненном.

А такие сверхтвердые и хрупкие материалы, как твердые сплавы, подвергаются только испытаниям на твердость, все остальные виды испытаний являются для них «жесткими».

Стали и сплавы специального назначения подвергаются соответствующим видам испытаний. Например, жаропрочные стали подвергаются длительным (до 10 и даже 30 тысяч часов) статическим напряжениям при повышенных температурах (до 1100 - 1200°С). Износостойкие материалы подвергаются истиранию с определением потери веса при истирании. Материалы для атомной энергетики подвергаются радиационному облучению различными элементарными частицами с определением способности поглощать эти частицы и изменять или сохранять необходимые свойства.

3.3. Механические свойства конструкционных материалов

К основным механическим свойствам конструкционных материалов и сплавов, определяющим работоспособность и область их применения, относят: твердость, прочность, упругость, пластичность, вязкость, выносливость. Приведем краткие определения этих понятий.

Твердость – сопротивление материала проникновению в него другого более твердого тела.

Прочность – сопротивление материала разрушению при воздействии внешних напряжений.

Упругость – способность материала восстанавливать свои размеры и форму при снятии внешних напряжений. Не всегда упругость считают отдельной самостоятельной характеристикой материала. Часто упругость считают элементом прочностной характеристики материала.

Пластичность - способность материала приобретать остаточную (пластическую) деформацию при нагружении, менять размер и форму, не разрушаясь.

Вязкость - это сопротивление материала динамическому, ударному воздействию нагрузки. Динамические испытания на ударный изгиб позволяют выявить склонность стали к хрупкому разрушению.

Выносливость или сопротивление усталости - это способность металла сопротивляться процессу постепенного возникновения и развития трещин под влиянием многократных повторных силовых воздействий, величина которых намного меньше предельной прочностной нагрузки, за счет чего при таком разрушении не возникает видимой пластической деформации.

Все вышеназванные свойства имеют и количественные параметры. Эти параметры могут быть получены с использованием различных схем нагружения. Например, прочность можно оценить при растяжении, сжатии, изгибе, кручении. Естественно, что количественные параметры, полученные с использованием различных схем нагружения, будут существенно отличаться. Предел прочности для серых чугунов, определенный при растяжении, в два раза меньше предела прочности, полученного при изгибе, и в четыре раза меньше, определенного при сжатии. Имеет значение и скорость приложения нагрузки. С увеличением скорости предел прочности растет, для малоуглеродистой стали предел прочности при ударном нагружении на 30% выше, чем при статическом. Чтобы оценить пригодность какого-либо материала, выполнить приемо-сдаточные испытания, а особенно при арбитражных спорах, нужно провести количественную оценку его свойств в условиях, идентичных для подобного класса материалов. Соответствующие виды и способы испытаний оговорены в ГОСТах на каждый класс материалов. Уровень свойств стандартных широко используемых в практике материалов приводится в ГОСТах, справочной литературе или учебниках материаловедения.

3.4. Определение количественных характеристик механических свойств

Самым распространенным материалом в народном хозяйстве является конструкционная сталь. Поставляемая металлургами в виде проката (прутки, балки, трубы, листы и т.д.) и поковок, сталь используется для строительства мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, строительных конструкций, для изготовления различных машин, станков, изделий широкого потребления и т.д. Как уже упоминалось, основными методами оценки свойств конструкционных сталей являются испытания на статическое растяжение, твердость, динамический изгиб и реже знакопеременные усталостные нагружения.

3.4.1. Испытания на статическое растяжение

Испытания на растяжение при комнатной температуре проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84 на разрывных машинах. В зависимости от принципа действия нагружающего механизма испытательные машины подразделяют на механические и гидравлические. Основной характеристикой разрывной машины является развиваемое ею максимальное усилие. Более мощные машины (усилие  20 т) выполняются, как правило, гидравлическими. На рис. 4.1. показан принцип работы гидравлической машины. Видно, что машина работает по принципу гидравлического пресса, по давлению в цилиндре определяют растягивающую силу, а смещение поршня, измеренное точным прибором, дает возможность определить изменение размера образца. Образцы изготавливают цилиндрическими или призматическими с головками на концах. Диаметр круглого образца может быть от 3 до 20мм, минимальная толщина плоских – 0,5мм.

Зависимость между усилием и изменением длины образца записывается автоматически с помощью диаграммного аппарата испытательной машины в виде кривой «растягивающая сила Р – абсолютное удлинение образца ℓ». Это так называемая «первичная машинная диаграмма», которая является результатом влияния двух переменных: механических свойств материала и величины испытуемого образца. Чтобы исключить влияние размеров образцов, от «первичной машинной» диаграммы переходят к «условной» или «удельной» в координатах «напряжение  - относительная деформация или удлинение ». Координаты точек на этой диаграмме определяют по формулам:

,

(4.1)

где F0 и ℓ0 исходное первоначальное сечение и первоначальная расчетная длина образца.

Диаграмма растяжения (рис.4.2.) состоит из трех участков: упругой деформации (прямолинейный участок до точки У), равномерной пластической деформации (участок УВ) и сосредоточенной деформации шейки образца (участок ВС).

Прямолинейный участок упругой деформации характеризует жесткость материала. Чем меньшую упругую деформацию претерпевает материал под действием нагрузки, тем выше его жесткость, которая характеризуется модулем упругости:

,

(4.2)

Модуль упругости структурно нечувствительная характеристика, определяется силами межатомного взаимодействия в кристаллической решетке и является константой материала.

Рис 4.1. Схема гидравлической разрывной машины

Рис 4.2. Диаграмма растяжения стального образца.

Рис 4.3. Диаграммы растяжения различных материалов

По условной диаграмме растяжения « - » определяются следующие прочностные характеристики:

1. Предел пропорциональности п - величина напряжения, соответствующая началу отклонения кривой от линейного хода (от закона Гука:  = Е).

2. Предел упругости у – напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций определенной заданной величины (0,01%; 0,03%;0,05%), причем допуск на остаточную деформацию указывается в индексе (0,05).

3. Предел текучести т (физический) – напряжение, соответствующее наименьшему напряжению площадки текучести, когда образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки. Если площадка текучести отсутствует на диаграмме, то определяется предел текучести условный, соответствующий остаточной деформации, составляющей 0,2% первоначальной длины образца - 0,2.

4. Предел прочности или временное сопротивление разрыву В – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

Величина пластической деформации к моменту разрушения характеризует пластичность материала. Для оценки пластичности стали используются две характеристики – относительное удлинение после разрыва  и относительное сужение после разрыва .

Относительное удлинение после разрыва представляет собой отношение приращение расчетной длины образца к его первоначальной длине, выраженное в процентах:

%

(4.3)

где ℓ0 и ℓк - первоначальная и конечная (после разрушения) длина образца.

На практике для определения ℓк разрушенные части образца прикладывают друг к другу и измеряют расстояние между рисками или кернами, наносимыми на образец перед испытаниями и задающими расчетную длину. Не имея образца, относительное удлинение можно примерно оценить по диаграмме. Для этого из конечной точки кривой, соответствующей моменту разрушения образца, провести прямую, параллельную прямолинейному участку диаграммы. Отрезок абсциссы, отсеченной этой прямой, будет соответствовать конечному относительному остаточному удлинению образца к. Этот результат нужно выразить в процентах:

%

(4.4)

Относительное сужение после разрыва  представляет собой отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади сечения образца:

%

(4.5)

Величина  определяется для цилиндрических образцов; для образцов плоских (при испытании полосовой или тонколистовой стали) это оценка приблизительная. По диаграмме растяжения  определить невозможно.

Условно принято считать металл надежным в эксплуатации при   15% и   45%.

Сталь перед испытаниями может быть подвергнута различным видам обработки (холодная вытяжка, горячая прокатка, нормализация, отжиг и т.д.), поэтому одна и та же марка будет иметь различные прочностные и пластические свойства, поскольку они являются структурно-чувствительными.

В процессе нагружения образца при достижении предела текучести начинается смещение атомов со своих первоначальных равновесных положений. Но это частичное смещение атомов относительно своих мест не приводит к разрушению материала. Наоборот, происходит его упрочнение, наклеп. Кривая деформации поднимается вверх, но уже более медленно, чем на первом участке, до величины в и далее падает с появлением шейки – местного утонения образца. Начало появления шейки считается началом разрушения образца (хрупкие материалы разрушаются без шейки).

Способность материала дополнительно упрочняться за счет пластической деформации оценивается модулем пластичности D. Чем меньше модуль пластичности, тем более хрупко разрушается материал, а хрупкие разрушения опасны своей внезапностью и непредсказуемостью. Определить величину модуля пластичности можно, упростив диаграмму растяжения (рис.4.4.). Соедините предел текучести и предел прочности на кривой растяжения. Тангенс угла наклона прямой АВ равен модулю пластичности:

(4.6)

По кривой растяжения можно определить еще одну характеристику, называемую вязкостью материала. Но эта вязкость будет статической в отличие от ударной вязкости, определяемой при ударном изгибе. Статическая вязкость при растяжении равняется удельной работе разрушения и характеризуется площадью под упрощенной кривой диаграммы « - »:

(4.7)

3.4.2. Испытания на твердость 

Из всех видов механических испытаний твердость материала как сопротивление вдавливанию определяется чаще всего и практически для любых материалов. Это объясняется тем, что испытание на твердость не приводит к разрушению изделий, не ограничивает величину детали или изделия, отличается простотой, скоростью, а также портативностью применяемых приборов. При определении твердости существуют разные методы воздействия твердого тела на поверхность испытуемого материала: метод вдавливания, метод царапанья, упругой отдачи. Поскольку более распространен метод вдавливания, приведем важнейшие способы определения твердости этим способом.

3.4.2.1. Твердость по Бринелю

Испытание на твердость по Бринелю проводится путем вдавливания стального закаленного шарика диаметром 10 мм, 5 мм или 2,5 мм под действием нагрузки, величина которой определяется толщиной образца и уровнем измеряемой твердости (табл.4.1.). После снятия нагрузки на поверхности остается отпечаток, который измеряют с использованием особой лупы с делениями. Твердость определяется по формуле:

,

(4.8)

где Р – усилие, действующее на шарик, кг;

S- площадь поверхности отпечатка,мм;

D- диаметр шарика, мм.;

d – диаметра отпечатка, мм;

НВ – твердость по Бринелю.

Чтобы ускорить и упростить испытание для различных значений диаметра отпечатка и нагрузки Р в специальных таблицах подсчитаны величины НВ.

Образец для испытания на твердость должен быть плоскопараллельным, очищенным от окалины и других загрязнений. С целью повышения точности измерений количество отпечатков должно быть не менее 2, каждый отпечаток промеряется в двух перпендикулярных направлениях, и результат определяется как среднеарифметический. При этом расстояние от края образца до центра отпечатка должно быть не менее 2,5 d, а расстояние между отпечатками > 4d. Диаметры отпечатков должны находиться в пределах 0,2D < d < 0,6D.

Число твердости при стандартных условиях (шарик 10 мм, нагрузка 3000 кг, выдержка под нагрузкой 10 с) пишут так: НВ400 (твердость 400 единиц по Бринелю). Если условия испытания другие, то обозначение твердости дополняется этими условиями. Например, НВ5/250/30-200 означает: число твердости 200 при испытании шариком 5 мм под нагрузкой 250 кг в течение 30 с.

Твердость испытываемых методом Бринеля материалов не должна превышать НВ450 во избежание деформирования стального шарика и искажения результатов испытания. Такими материалами являются цветные металлы и сплавы, а также сырые незакаленные стали и чугуны.

Таблица 4.1 Условия испытания материалов по методу Бринеля

Материал	Интервал твердости в числах Бринеля	Толщина испытуемого образца	Соотношение между нагрузкой и диаметром шарика D	Диаметр шарика D в мм	Нагрузка Р в кг	Выдержка под нагрузкой в с
Черные металлы	140-450	От 6 до 3 От 4 до 2 Менее 3	Р = 30D2	10,0 5,0 2,5	3000 750 187,5	10
То же	<140	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	Р = 10D2	10,0 5,0 2,5	1000 250 62,5	10
Цветные металлы	>130	От 6 до 3 От 4 до 2 Менее 2	Р = 30D2	10,0 5,0 2,5	3000 750 187,5	30
То же	35 - 130	От 9 до 3 От 6 до 3 Менее 3	Р = 10D2	10,0 5,0 2,5	1000 250 62,5	30
То же	8 - 35	Более 6 От 6 до 3 Менее 3	Р = 2,5D2	10,0 5,0 2,5	250 62,5 15,6	60

3.4.2.2. Твердость по Роквеллу

Если использование метода Бринеля ограничено средней твердостью (до 450 НВ), то метод Роквелла позволяет измерить твердость до 1000 НВ, что намного расширяет круг испытуемых материалов и делает этот метод более универсальным. Мягкие материалы испытываются стальным шариком D = 1,58 мм, твердые - алмазным конусом с углом 120 °. Для этого предусмотрены разные нагрузки: шарик нагружается средней нагрузкой - 100 кг, а конус - двумя нагрузками 150 и 60 кг. Большая нагрузка предусмотрена для измерения твердых и относительно прочных материалов, таких как закаленные стали. Твердые и хрупкие материалы, например, твердые сплавы, испытываются при малой нагрузке. В соответствии с этими нагрузками прибор имеет три шкалы измерения: А,B,C. В отличие от метода Бринеля твердость по Роквеллу измеряется не в кг/мм2, а в условных единицах, соответствующих разности между глубиной отпечатка от предварительной нагрузки - 10 кг и окончательной нагрузки. За единицу измерения принята величина, отвечающая осевому перемещению шарика или конуса на глубину 0,002 мм.

Рис. 4.4. Упрощенное изображение диаграммы растяжения, поясняющие формулы 4.6 и 4.7

Это перемещение измеряется автоматически на приборе, и стрелка индикатора сразу показывает отсчет твердости по соответствующей шкале. Запись чисел твердости производится с обозначением шкалы, например, НRС60, НRВ90, НRА70. Твердость по Роквеллу безразмерная величина. При необходимости твердость по Роквеллу может быть переведена на твердость по Бринелю с использованием соответствующих переводных таблиц.

Метод Роквелла вследствие относительной простоты и высокой скорости, широкого диапазона материалов по твердости, высокой точности и небольшого отпечатка на испытуемом материале получил широкое применение. Рекомендуемые условия испытания приведены в таблице 4.2. Расстояние между центрами отпечатков либо до края образца не должно быть меньше 3мм.

Таблица 4.2 Условия испытания по методу Роквелла

Обозначения	Тип индентора	Нагрузка, кг	Рекомендуемые пределы измерений по Роквеллу	Соответствующие значения твердости по Бринеллю, кг/мм2
шкалы	чисел твердости		Предвари-тельная	Оконча-тельная
А	HRA	Алмазный конус	10	60	70-85	360-800
С	HRC	Алмазный конус	10	150	20-67	230-700
B	HRB	Стальной шарик	10	100	25-100	40-230

3.4.2.3. Твердость по Виккерсу и микротвердость

Испытания по Виккерсу и определение микротвердости идентичны. Нагружение проводится алмазной четырехгранной пирамидой с углом при вершине 136°. По нагрузке, приходящейся на единицу площади отпечатка, определяется число твердости:

НV=1,8544 Р/d2, кг/мм2

(4.9)

где Р - нагрузка на пирамиду, кг,

d - диагональ отпечатка, мм.

Разница между этими методиками состоит в величинах используемых нагрузок. В методе Виккерса используются нагрузки 5 - 100 кг, а при микроиспытаниях 5 - 500 г. Определение твердости по Виккерсу проводится на твердомере Виккерса, микроиспытания на приборе ПМТ-3.Толщина испытуемых образцов должна быть не менее 1,5 диагоналей. Чтобы отпечаток имел правильную форму, образец должен быть обязательно плоскопараллельным, его поверхность должна быть шлифованной и полированной, так как отпечаток измеряется с использованием микроскопа ввиду его малых размеров.

Оба метода не имеют ограничений по измеряемой твердости. Метод Виккерса применяется для измерения твердости и толщины упрочненных поверхностных слоев методами цементации, азотирования и цианирования конструкционных сталей. Более тонкие слои, полученные азотированием и цианированием инструментальных сталей, борированием, хромированием инструмента и т.д. испытываются на микротвердомере. Метод микротвердости используется для измерения твердости отдельных структурно-фазовых составляющих. Твердость при микроиспытаниях на приборе ПМТ-3 обозначается Нμ.

Следует отметить, что до твердости НВ400 числа твердости по Бринелю и Виккерсу совпадают, при более высокой твердости величина НV превышает НВ, и чем выше твердость, тем больше расхождение.

3.4.3. Связь между твердостью и прочностью материалов

Статистическая обработка экспериментальных результатов позволила определить зависимость между твердостью по Бринелю и пределом прочности для сырых незакаленных сталей и других металлов и сплавов. Эта зависимость описывается простым уравнением:

(4.9)

Таблица 4.3 Значения коэффициентов «k» для различных материалов

№ п/п	Материалы	Значение «К»
1	Чугуны	0,15
2	Алюминиевые сплавы литейные	0,25
3	Алюминиевые сплавы деформируемые	0,38
4	Стальное литье	0,32-0,36
5	Малоуглеродистые кованые и горячекатаные стали	0,36
6	Высокопрочные стали	0,33
7	Аустенитные стали и медные сплавы	0,45
8	Титановые сплавы	0,30

Из таблицы видно, что значение коэффициента k в значительной степени зависит для одного и того же материала от структурного строения. Деформация алюминиевых сплавов ведет к увеличению коэффициента в 1,5 раза. Не меньший разбег коэффициента можно получить при изменении структуры стали. Если технологические процессы получения и обработки материалов надежно устойчивы, то для каждой группы материалов можно подобрать переходный коэффициент и оценивать прочность по измерению твердости. В иностранной литературе прочность, полученную таким способом, предложено называть «прочностью по Бринелю». Такое определение прочности возможно только для пластичных вязких материалов. Для хрупких эта методика не применима.

3.5. Программа и порядок выполнения работы

Работа состоит из трех частей: теоретической, методической и экспериментальной.

Теоретическая часть предполагает изучение теоретического материала о свойствах и методах испытаний по рекомендуемой литературе, лекциям и данной методичке, после чего необходимо ответить на входные тесты и получить допуск к работе.

Методическая часть состоит в изучении устройства, приемов работы, а так же получения навыков работы на твердомерах Бринеля, Роквелла и разрывной машине Р-10 под руководством лаборанта и преподавателя.

Для выполнения экспериментальной части студент получает образцы для измерения твердости по Бринелю и Роквеллу, а так же разрывные образцы или готовые диаграммы растяжения, полученные на машине Р-10.

1. По полученной на разрывной машине «первичной» диаграмме в координатах «усилие Р - абсолютное удлинение Δℓ» построить условную диаграмму растяжения в координатах «напряжение σ - относительное удлинение ε˝. Для этого на кривой выбрать несколько точек, для них определить по первичной машинной диаграмме координаты Р и Δℓ, а затем данные по усилию разделить на исходное поперечное сечение образца, а по удлинению разделить на расчетную исходную длину:

,

(4.10)

По полученным данным строго в масштабе построить диаграмму «σ - ε».

2. По построенной вновь диаграмме определить следующие параметры: модуль упругости Е (из закона Гука σ = εЕ ) по прямолинейному участку кривой, физический σт или условный σ0,2 предел текучести, предел прочности σв, модуль пластичности D по наклону прямой соединяющей σт (σ0,2) - σв и статическую вязкость материала «а» (формула 4.7).

3. Выбрать метод измерения твердости и условия испытания для предложенных преподавателем образцов. Измерить твердость.

4. Ознакомиться с таблицей соотношение чисел твердости, определяемой различными методами. Результаты измерений, если необходимо, перевести в единицы Бринеля.

5. Для одного и того же материала на основании полученных σв и HB определить коэффициент «k» и сравнить с данными таблицы 4.3. Сделать вывод о точности испытаний.

6. Для остальных образцов по результатам измерения твердости и значения коэффициента «k» оценить прочность. Результаты свести в таблицу.

Таблица 5.1

Номер образца	Материал образца	Твердость	Коэффи-циент k	Прочность, кг/мм2
		HRA	HRB	HRC	HB
1 2 3

3.6. Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Таблица с экспериментальными результатами, полученными по первичной диаграмме «усилие P – абсолютное удлинение Δℓ».

3. Таблица с расчетными данными «напряжение σ – относительное удлинение ε».

4. Построенная в масштабе диаграмма растяжения в координатах «напряжение σ – относительное удлинение ε».

5. Таблица с механическими характеристиками, полученными по диаграмме растяжения, с указанием размерности.

6. Таблица с результатами определения твердости для различных материалов и расчетной прочностью.

3.7. Контрольные вопросы

1. Дать определение основных механических свойств – твердости, прочности, пластичности.

2. Отчего зависит выбор способа испытания материалов (растяжение, изгиб, сжатие)?

3. Что представляет собой коэффициент «жесткости» механических испытаний?

4. Чем отличаются диаграммы растяжения при наличии физического и условного пределов текучести?

5. Какие механические характеристики материала можно получить по диаграмме растяжения «σ - ε»?

6. Указать прочностные характеристики материалов.

7. Перечислить пластические характеристики материалов.

8. Что характеризует модуль нормальной упругости Е?

9. Изложить методику определения твердости по Бринелю, Роквеллу, Виккерсу.

10. Указать области использования метода микротвердости.

11. Почему при использовании метода Бринеля вводятся ограничения при измерении твердости очень твердых материалов?

12. Почему при измерении твердости предусматривается размещение отпечатков на расстоянии не менее 4 диаметров отпечатка друг от друга?

3.8. Варианты заданий

Номера точек на кривой	1	2	3	4	5	6	7	8
Координаты точек	F	18,00	36,00	38,25	39,60	40,05	40,275	40,50	39,15
	Δl	0,4	0,8	1,6	2,4	3,2	4	4,8	6,4

Номера точек на кривой	1	2	3	4	5	6	7	8
Координаты точек	F	10,35	9,90	10,125	11,925	13,95	15,075	15,75	14,625
	Δl	0,12	0,2	2,4	4,8	8	11,2	16	20,8

Номера точек на кривой	1	2	3	4	5	6	7	8
Координаты точек	F	12,15	11,25	11,475	13,95	17,325	20,025	20,07	20,25
	Δl	0,12	0,28	2,4	4,8	8	11,2	14,4	16

Номера точек на кривой	1	2	3	4	5	6	7	8
Координаты точек	F	8,325	16,65	18,45	19,80	21,60	22,725	23,40	21,60
	Δl	0,16	0,32	0,8	1,6	3,2	4,8	6,4	8,8

Номера точек на кривой	1	2	3	4	5	6	7	8
Координаты точек	F	8,55	12,60	15,525	18,675	20,925	22,05	22,50	21,60
	Δl	0,18	3,2	6,4	12,8	19,2	25,6	28,8	32

Номера точек на кривой	1	2	3	4	5	6	7	8
Координаты точек	F	37,80	42,75	43,425	46,35	48,825	49,50	49,50	49,05
	Δl	0,18	3,2	6,4	12,8	19,2	25,6	28,8	32

Номера точек на кривой	1	2	3	4	5	6	7	8
Координаты точек	F	13,50	13,50	13,725	15,975	18,90	20,70	21,15	20,50
	Δl	0,12	1,2	2,4	4,8	8	11,2	14,4	17,6

Номера точек на кривой	1	2	3	4	5	6	7	8
Координаты точек	F	15,75	16,20	17,775	19,575	21,60	22,95	23,40	21,825
	Δl	0,16	0,8	2,4	4	6,4	8,8	11,2	14,4

Номера точек на кривой	1	2	3	4	5	6	7	8
Координаты точек	F	16,20	16,875	18,90	21,825	25,20	26,55	27,45	26,10
	Δl	0,15	0,8	2,4	4	6,4	8,8	10,4	12,8

Номера точек на кривой	1	2	3	4	5	6	7	8
Координаты точек	F	18,90	22,50	25,20	28,35	31,50	32,85	33,75	32,85
	Δl	0,16	0,32	0,8	1,6	3,2	4,8	6,4	8

Номера точек на кривой	1	2	3	4	5	6	7
Координаты точек	F	1890	3780	4095	4410	4747,5	4905	4050
	Δl	0,16	0,32	0,8	1,6	3,2	4,8	6,4

3.9. Рекомендуемая литература

1.Жадан В.Т., Гринберг Б.Г., Никонов В.Я. Технология металлов и других конструкционных материалов. Высшая школа. 1970 г.

2.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение.-М.: Машиностроение. 1983 г.

3.Гуляев А.П., Материаловедение.-М.: Металлургия. 1986г.

4.Фридман Я.Б., Механические свойства металлов, т.2. - Машиностроение. 1974г.

Лабораторная работа №4. Влияние холодной пластической деформации и температуры рекристаллизации на структуру и свойства металлов

4.1. Цель работы

1. Изучить влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства (твердость) металлов.

2. Изучить влияние температуры рекристаллизации на структуру и свойства (твердость) холоднодеформированных металлов.

4.2. Приборы и материалы

1.Электрическая печь.

2.Твердомер Роквелла.

3.Металлографический микроскоп МИМ–7.

4.Плоские образцы из меди.

5.Штангенциркуль.

6.Пресс Р10.

4.3. Краткие теоретические сведения

4.3.1. Холодная пластическая деформация и ее влияние на структуру и свойства металлов

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием внешних усилий. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические деформации остаются после окончания действия внешних сил. В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов металлов от положений равновесия; в основе пластических деформаций лежат необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от исходных положений равновесия. Механизм пластической деформации рассмотрим на примере деформации монокристалла. Пластическая деформация в монокристалле осуществляется путем сдвига одной его части относительной другой. Сдвиг вызывают касательные напряжения, когда их значение превышает критическое к.

Имеется две разновидности сдвига: скольжение и двойникование (рис.1).

Рис. 1. Схемы пластической деформации скольжения (а) и двойникования (б)

При скольжении одна часть кристалла смещается параллельно другой части вдоль плоскости, которая называется плоскостью скольжения или сдвига (рис. 1а). Скольжение – основной вид сдвига в металле и сплавах. Деформация двойникованием представляет собой перестройку части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к его недеформированной части (рис. 1б). Плоскость зеркальной симметрии называют плоскостью двойникования. При двойниковании атомные плоскости кристалла сдвигаются параллельно плоскости двойникования на разные расстояния. Часть кристалла, в которой в результате двойникования произошла переориентация кристаллической решетки, называют двойником деформации. По сравнению со скольжением, двойникование имеет второстепенное значение и его роль возрастает, когда скольжение затруднено. Механизм двойникования сложен и в дальнейшем не рассматривается.

Деформация скольжения развивается по плоскостям и направлениям, на которых плотность атомов максимальна. Плоскость скольжения вместе с направлением скольжения, принадлежащим этой плоскости, образует систему скольжения.

Элементарный акт сдвига – это смещение одной части кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние.

Пластическая деформация в реальных кристаллах осуществляется путем последовательного перемещения дислокаций (рис. 2).

Рис. 2. Схема перемещения краевой дислокации при скольжении (рис. 2).

При постоянно действующем напряжении дислокация как бы по эстафете передается от одной атомной плоскости к другой, последовательно вытесняя при этом каждый соседний «правильный» ряд атомов. Процесс повторяется до тех пор, пока дислокация не выйдет на поверхность кристалла и его верхняя часть сдвинется относительно нижней части на одно межатомное расстояние (рис. 2г). При этом на поверхности образуется ступенька в одно межатомное расстояние.

В плоскости скольжения обычно расположены десятки дислокаций. Их последовательное перемещение вдоль плоскости скольжения развивает процесс пластической деформации. Высота ступеньки, образующейся при этом на поверхности кристалла, увеличивается пропорционально числу дислокаций, выходящих на поверхность кристалла. Ступенька, видимая под микроскопом, называется линией скольжения. Группы близко расположенных линий скольжения образуют полосы скольжения.

В процессе деформации возникают новые дислокации, и их плотность повышается от 108 до 1012 см –2 .

Основная масса промышленных сплавов имеет поликристаллическую структуру. При деформации поликристаллов деформация зерен начинается сразу по нескольким системам скольжения и сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. Пока деформация мала, порядка 1%, зерна деформируются неоднородно в силу их разной ориентации по отношению к приложенной нагрузке. С ростом деформации различия в ориентации между зернами уменьшаются, и изменяется микроструктура: зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения (рис. 3в).

Рис. 3. Изменение микроструктуры поликристаллического металла при деформации: а -  = 0%; б -  = 1%; в -  = 40%; г -  = 90%

Внутри зерна повышается плотность дефектов. При значительных деформациях образуется волокнистая структура, где границы зерен различаются с трудом (рис. 3г).

В результате холодного пластического деформирования металл упрочняется, изменяются его физические свойства. Изменение свойств в результате пластической деформации называют наклепом. В основе упрочнения металла при деформировании лежит, прежде всего, повышение плотности дислокаций и, как следствие, их взаимное торможение при пересечении дислокаций. Движению дислокаций мешают различные препятствия – границы зерен, межфазные поверхности, дислокации, пресекающие плоскость скольжения. Через некоторые препятствия дислокации проходят, но при более высоких напряжениях. Такими препятствиями являются, например, пересекающиеся с плоскостью скольжения дислокации. Границы зерен являются непреодолимыми препятствиями, перед ними дислокации скапливаются. Каждое скопление дислокаций создает поле напряжений, отталкивающее приближающуюся дислокацию. Чем больше дислокаций в скоплении, тем сильнее отталкивание и тем труднее деформируется металл. Когда плотность дислокаций в скоплении достигает определенного значения, в этом месте зарождается трещина.

Рис. 4. Зависимость механических свойств от степени деформации

Наклепанный металл запасает 5-10% энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки (плотность дислокации возрастает до 109 – 1012 см –2), и на упругие искажения решетки. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации.

При деформировании увеличиваются прочностные характеристики (твердость, в, 0,2, упр) и понижаются пластичность и вязкость. Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно.

С увеличением степени деформации предел текучести 0,2 растет быстрее временного сопротивления в. Обе характеристики у сильно наклепанного металла сравниваются, а удлинение  становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является предельным; при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопротивление в удается повысить в 1,5 – 3 раза, а предел текучести 0,2 в 3-7 раз.

С ростом степени деформации возрастают удельное электрическое сопротивление, коэрцетивная сила, понижаются магнитная проницаемость и плотность металла. Наклепанные металлы легче коррозируют и склонны к коррозионному растрескиванию.

Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением (например, прокаткой, волочением, листовой штамповкой).

Снижение пластичности при наклепе улучшает обрабатываемость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, сплавов алюминия и др.).

4.3.2. Влияние температуры рекристаллизации на структуру и свойства холоднодеформированных металлов

Неравновесная структура, созданная холодной деформацией, у большинства металлов устойчива при температуре 25С. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве.

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию.

Снятие искажений решетки, как результат многочисленных субмикропроцессов (уменьшение плотности дислокаций в результате их взаимного уничтожения – аннигиляции, уменьшения внутренних напряжений, уменьшения количества вакансий и т.д.) в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом, или отдыхом. При возврате не наблюдается заметных изменений структуры, видимой в световом микроскопе, по сравнению с деформированным состоянием. Возврат происходит при относительно низких температурах (около 0,3 t плавления).

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные зерна. Температура рекристаллизации составляет некоторую долю от температуры плавления металла: t рекр = 0,40,45 Тпл и является наименьшей температурой нагрева, которая обеспечивает возможность зарождения новых зерен.

Температура рекристаллизации может колебаться и зависит:

- от степени деформации (чем меньше деформация, тем выше температура рекристаллизации);

- от времени выдержки при нагреве (чем длительнее выдержка, тем ниже температура рекристаллизации);

- от чистоты сплава (чем больше в сплаве примесей, тем выше температура рекристаллизации).

Зарождение новых зерен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке. Эта стадия рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки. Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла (рис. 5в).

Рис. 5. Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве:

а) наклепанный металл; б) начало первичной рекристаллизации; в) завершение первичной рекристаллизации; г, д) стадии собирательной рекристаллизации

По завершении первичной рекристаллизации происходит рост образовавшихся зерен при увеличении времени выдержки или температуры; эта стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна.

Рис. 6. Схемы изменения твердости (а) и пластичности (б), наклепанного металла при нагреве: I – возврат, II – первичная рекристаллизация, III – рост зерна

Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла (рис. 6).

Пластичность и вязкость металлов и сплавов зависят от размера зерен. С уменьшением размера зерен вязкость повышается. Размер зерен, образующихся при рекристаллизации, зависит в основном от степени пластической деформации, от температуры, при которой происходит рекристаллизация, и от времени выдержки (рис. 7).

Рис. 7. Влияние температуры (а), продолжительности нагрева (б) и степени деформации (в) на величину рекристаллизованного зерна. Оn2 Оn1 - инкубационный период рекристаллизации; t1 t2 t3 – температура рекристаллизационного отжига; f2, f1 – критическая степень деформации

Увеличение времени выдержки при нагреве способствует росту зерен, но этот эффект значительно меньше, чем при повышении температуры нагрева.

Из рис.7в видно, что при определенной степени деформации, так называемой критической деформации (35%) и рекристаллизации можно получить аномально крупное зерно. Критической степени деформации следует избегать, так как образующаяся крупнозернистая структура обладает пониженной пластичностью и ударной вязкостью.

При больших степенях деформации возникает множество центров новых зерен и после рекристаллизации образуется мелкозернистый поликристалл с хорошими механическими свойствами.

4.4. Порядок выполнения работы

1. Измерить толщину образцов до и после деформации.

2. Произвести холодную пластическую деформацию на машине при усилиях 6, 8, 10 т.

3. Измерить твердость образцов после деформации на приборе Роквелла по шкале В (НRВ), внести в таблицу.

4. Рассчитать степень пластической деформации образцов:

5. Рассчитать предел прочности деформированных образцов, используя эмпирическое соотношение в0,35НВ

6. Отжечь деформированные образцы при температурах 250, 400С, с выдержкой 15 мин.

7. Измерить твердость образцов после рекристаллизационного отжига.

8. Изучить структуры образцов после деформации и рекристаллизации, зарисовать и определить номер зерна (альбом, С.19, шкала № 1).

4.5. Содержание отчета

1.Цель работы.

2. Таблица с результатами измерений.

П/№	Нагрузка,Р, T	Толщина образца,h,мм	, %	НRв	НВ	в	Темпе-ратура отжига, t, C0	НRв	НВ
1
2
3
4

3. График зависимости степени деформации ().

4. График зависимости степени пластической деформации ().

5. График зависимости твердости (НRВ) от температуры отжига (С).

6. Структуры образцов после деформации и отжига с указанием номера зерна.

7. Выводы из построенных графиков.

4.6. Контрольные вопросы

1.Что такое пластическая и упругая деформация?

2.Что такое наклёп металлов?

3.Что такое рекристаллизация, из каких стадий складывается этот процесс?

4.Как зависит температура рекристаллизации от температуры плавления металлов и сплавов?

5.Что такое критическая степень деформации?

6.Почему величина зерна зависит от степени деформации?

7.Какие изменения происходят в металлах в результате пластической деформации?

8.Какие факторы влияют на температуру рекристаллизации металлов?

9.Что понимается под возвратом или отдыхом?

10.Какие факторы и как влияют на размер зерна после рекристаллизации?

Лабораторная работа №5. Термический анализ сплавов

5.1. Цель работы

Освоить метод термического анализа и принцип построения диаграмм состояния.

Приобрести навыки анализа диаграмм состояния двойных сплавов.

5.2. Приборы, материалы, учебные пособия

1.Термическая печь.

2.Гальванометр.

3.Термомпары хромель-алюмель.

4.Сплавы Zn-Sn

4% Zn+96%Sn

8% Zn +92%Sn

40% Zn +60%Sn

60% Zn +40%Sn

5.Альбом микроструктур, справочные материалы.

5.3. Построение и анализ диаграмм состояния

5.3.1. Структурные составляющие системы

Диаграмма состояния или диаграмма равновесия - графическое изображение равновесных состояний сплава в виде точек в n- мерном пространстве, по осям координат которого отложены n независимых параметров состояния рассматриваемого сплава.

Параметр состояния – физическая величина , служащая в термодинамике для характеристики состояния рассматриваемой системы, например, давление, температура, концентрация элементов и т.д.

В данной работе будут рассматриваться диаграммы состояния в координатах: концентрация компонентов - температура.

Компонентами называются простейшие вещества, которые определяют состав сплава и концентрация которых является независимой от остальных параметров.

Чистый металл представляет собою однокомпонентную систему, сплавы из двух компонентов – двухкомпонентную и т.д.

Однородная часть неоднородной системы, имеющая границы раздела с другими частями системы и взаимодействующая с ними, называется фазой. Фазами могут быть сами компоненты, их химические соединения, жидкие и твердые растворы.

Химическое соединение – химически индивидуальное вещество , в котором атомы одного (как, например, О2) или различных (как , например КСL) элементов соединены между собою тем или иным видом химической связи. Химическое соединение описывается определенной химической формулой, образует кристаллическую решетку, которая отличается от кристаллических решеток элементов образующих это химическое соединение.

Твердые растворы – однородные кристаллические вещества, состоящие из двух или большего числа компонентов и сохраняющие однородность при изменении соотношений между компонентами в определенном интервале концентраций. В твердых растворах атомы одного или нескольких компонентов находятся в кристаллической решетке одного из компонентов, который называется растворителем.

Различают твердые растворы замещения, внедрения, вычитания. В твердых растворах замещения, образованных двумя или несколькими металлами (например, медью и никелем), атомы одного металла (Ni) размещаются в узлах кристаллической решетки другого (Сu) вместо атомов Сu. В твердых растворах внедрения атомы неметалла (обычно) располагаются в промежутках между атомами металла, которые находятся в узлах кристаллической решетке. Твердые растворы вычитания образуются только на основе химических соединений. При растворении компонента А в химическом соединении А и В, часть узлов решетки, принадлежащих компоненту В, делается вакантной (вычитается из решетки).

Твердые растворы обозначаются греческими буквами: , , ,  и т.д.

В сплавах имеются структурные составляющие: эвтектика и эвтектоид.

Эвтектика – тонкая смесь кристаллов различных компонентов или фаз, одновременно закристаллизовавшихся из жидкости определенного (эвтектического) состава при температуре ниже температуры плавления отдельных компонентов.

Эвтектоид - аналогичная эвтектике структурная составляющая металлических сплавов, но в отличие от нее образующаяся не из жидкой, а из твердой фазы.

5.3.2. Построение диаграмм состояния

Сущность термического метода построения диаграммы состояния сводится к определению критических температур при нагревании или охлаждении металлов и сплавов. Критическими называются температуры, при которых происходят фазовые превращения в сплаве (начало и конец кристаллизации, полиморфные превращения и другие).

В процессе охлаждения сплава (рис.1) вначале скорость охлаждения велика, затем она уменьшается, т.к. происходит кристаллизация одной из фаз, при которой выделяется некоторое количество тепла.

Рис. 1. График процесса кристаллизации сплавов	Рис. 2. Координатные оси при построении диаграммы состояния сплавов олово-цинк

При кристаллизации эвтектики происходит остановка охлаждения (площадка на кривой охлаждения), так как выделяемое тепло, в связи с кристаллизацией двух и более фаз одновременно, полностью компенсирует теплоотвод.

При охлаждении сплавов с различным содержанием компонентов получают ряд кривых, изображающих ход процесса охлаждения сплава.

Для двухкомпонентных систем при построении диаграмм по оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс - концентрация элементов в сплаве (рис.2).

Общее содержание компонентов в сплаве 100 %, и поэтому каждой точке на диаграмме соответствует определенное содержание компонентов.

Критические температуры начала и конца кристаллизации, полученные при охлаждении сплавов, переносятся на координатные оси "температура-концентрация". Затем плавными линиями соединяются точки начала и конца кристаллизации сплавов. При наличии эвтектики в сплаве точки конца кристаллизации сплавов располагаются на одной прямой при температуре кристаллизации эвтектики (рис.4).

Сплавы на, диаграмме состояния, располагающиеся до точки эвтектики (слева направо), называются доэвтектическими, соответствующие точке эвтектики - эвтектическими, располагающиеся за точкой эвтектики - заэвтектическими. Структура этих сплавов на примере системы Zn-Sn показана на рис.3.

Рис.3. Схематическое изображение структуры системы олово-цинк: а) доэвтектический сплав, олово+эвтектика (Sn+Zn); эвтектический сплав, эвтектика (Sn+Zn); б) заэвтектический сплав цинк+эвтектика (Sn+Zn)

5.3. Анализ диаграмм состояния

По диаграмме состояния можно определить критические точки сплава при нагревании и охлаждении и установить его структуру, выбрать сплав, обладающий наилучшими литейными свойствами, правильно назначить режим термической обработки.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации образуют эвтектику (рис.4):

АЕС - ликвидус, начало кристаллизации сплавов.

ВЕF - солидус, конец кристаллизации сплавов; на этой линии происходит одновременная эвтектическая кристаллизация компонентов А и В при постоянной температуре. Линия называется эвтектической.

АЕ - начало кристаллизации компонента А.

ЕС - начало кристаллизации компонента В.

Точка Е называется эвтектической, в ней происходит одновременная кристаллизация компонентов при самой низкой и постоянной температуре.

Кристаллизация и структурообразование сплавов

Сплав I - доэвтектический. Критическая точка I - начало кристаллизации компонента А, две фазы: жидкость и зародыши зерен компонента А.

Критическая точка 2 - кристаллизация эвтектики, т.е. из оставшейся к этой температуре жидкости одновременно кристаллизуются компоненты А и В:

ЖЕ—>А +В

На кривой охлаждения образуется площадка 2-2. Структура сплава после охлаждения состоит из зерен компонента А и эвтектики.

По мере охлаждения сплава между точками I и 2 жидкость меняет свою концентрацию по линии AЕ. Чтобы определить состав твердой и жидкой фаз при заданной температуре t1 сплава I (рис.4), необходимо через точку t1 провести коноду, т.е. прямую линию, параллельную оси концентрации, до пересечения с линиями диаграммы и точки пересечения спроектировать на ось концентрации. Точка пересечения l c линией ликвидус покажет концентрацию компонентов А и В в жидкой фазе, точка S - в твердой (чистый компонент А),

Рис. 4. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации образуют смесь (эвтектику)
	I	II
Рис. 5. Диаграмма состояний сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации образуют устойчивое химическое соединение
Рис. 6. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы друг в друге в жидком и твердом состояниях
	100% A	100% B
Рис. 7. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно в твердом и при кристаллизации образуют смесь (эвтектику)

Соотношение масс фаз при заданной температуре можно определить по правилу отрезков.

Правило отрезков. Массы фаз относятся между собой как обратная пропорция отрезков коноды. Например, при температуре t1 сплав I имеет 2 фазы: жидкую и твердую с количеством масс Qж и Qтв, соотношение фаз определится выражением (I), а количество жидкой и твердой фаз - соотношениями (2) и (3):

	(1)
	(2)
	(3)

где Р - общая масса сплава.

Сплав II - эвтектический. Критическая точка Е - компоненты А и В кристаллизуются одновременно при постоянной температуре:

ЖЕ —>А +. В.

Присутствуют 3 фазы: жидкость эвтектического состава, компоненты А и В. На кривой охлаждения образуется площадка 1-1.

Структура сплава после охлаждения состоит из эвтектики (смеси кристаллов компонентов А и В).

Сплав III - заэвтектический. Критическая точка - 1 начало кристаллизации компонента В. Фазы две: жидкость, кристаллы компонента В. По мере охлаждения сплава жидкость меняет концентрацию по линии ликвидус ЕС. Например, при t2 состав жидкости определится точкой n, спроектированной на ось концентраций, а состав твердой фазы - проекцией точки m.

Критическая точка 2 - кристаллизация эвтектики, т.е. из оставшейся к этой температуре жидкости при постоянной температуре кристаллизуются оба компонента:

Ж—А +В.

Структура сплава после охлаждения состоит из зерен компонента В и эвтектики.

Правило фаз Гиббса устанавливает зависимость между числами фаз системы, ее компонентов и степеней свободы:

С = К - Ф + I

(4)

где С - число степеней свободы, или вариантность системы;

К - число компонентов системы;

Ф - число фаз, находящихся в равновесии в данной критической точке.

Под числом степеней свободы понимается число независимых параметров системы, которые можно изменить, не изменяя равновесия, например, температуру без изменения числа фаз. Так как степень свободы не может быть меньше нуля и дробным числом, то

К – Ф + I ≥ 0;  Ф ≤ К + 1.

Следовательно, в двойной системе в равновесии может находиться не более трех фаз, в тройной - не более четырех и т.д.

Например, определим число степеней свободы у сплава I в 1-й критической точке (рис.4):

С = К - Ф +1; С = 2 (А, В) - 2 (А, Ж) + 1 = 1;

т.е. с изменением температуры между точками 1-2 число фаз не изменяется, а происходит переход одной фазы (жидкости) в другую (компонент А). Во второй точке

С = К - Ф +1; С = 2 (А, В) - 3 (А, В, Ж) + 1 = 0;

т.е. процесс кристаллизации эвтектики идет при постоянной температуре, система нонвариантная. Изменение температуры ведет к изменению количества фаз.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой растворимы в жидком состоянии, нерастворимы в твердом и при кристаллизации образуют устойчивое химическое соединение (рис.5).

Диаграмма рассматривается как совокупность двух диаграмм состояния, где в роли компонента выступает химическое соединение:

I часть диаграммы - компоненты А и АтВn;

II часть диаграммы - компоненты В и АтВn;

Обе части диаграммы характеризуются неограниченной растворимостью в жидком состоянии. В твердом они нерастворимы, при кристаллизации образуется эвтектическая смесь, состоящая из кристаллов компонента и химического соединения.

Диаграмма состояний сплавов, компоненты которой неограниченно растворимы друг в друге в жидком и твердом состояниях (рис.6):

АnВ - ликвидус, начало кристаллизации твердого раствора;

АтВ - солидус, конец кристаллизации твердого раствора.

Кристаллизация и структурообразование сплавов.

Сплав I.

Критическая точка I - начало кристаллизации твердого раствора α :

Ж  α

Критическая точка 2. - конец кристаллизации твердого раствора α.

При кристаллизации в интервале температур между точками 1-2 жидкая и твердая фазы изменяют состав. Изменение концентрации жидкости определяется линией ликвидус АnВ, а концентрации твердого раствора - линией солидус АmВ. Например, в сплаве I при температуре t1 состав жидкой фазы соответствует точке c, твердой - точке d, спроектированными на ось концентраций. По правилу отрезков количество твердой фазы

Структура сплава: зерна однородного твердого раствора α.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которой неограничен, но растворимы в жидком состоянии, ограниченно - в твердом, при кристаллизации образуют эвтектическую смесь (эвтектику) (рис.7):

АЕС - ликвидус

АВЕFС - солидус

АЕ - начало кристаллизации твердого раствора α •

АВ - конец кристаллизации твердого раствора α •

ЕС - начало кристаллизации твердого раствора β•

СF - конец кристаллизации твердого раствора β •

ВМ - ограничение растворимости компонента В в кристаллической

решетке компонента А.

FN - ограничение растворимости компонента А в кристаллической

решетке компонента В.

Точки В, F - максимальная растворимость компонентов друг в друге. Диаграмма отличается от диаграммы (рис.4) наличием двух областей граничных твердых растворов α и β. Компоненты в чистом виде в сплавах этой системы макроскопически не присутствуют, а находятся только в виде твердых растворов α и β.

Кристаллизация и структурообразование в сплавах, состав которых находится в интервале проекций точек В и F диаграммы (рис.7) на ось концентраций, происходят аналогично ранее рассмотренным примерам диаграммы с нерастворимыми в твердом состоянии компонентами, только вместо компонентов А и В присутствуют твердые растворы α и β.

Кристаллизация и структурообразование сплавов IV (V)

Критическая точка I - начало кристаллизации твердого раствора α(β), две фазы: жидкость и α(β). В интервале температур между точками 1 и 2 идет кристаллизация: Ж  α(β). Критическая точка 2 - конец кристаллизации α(β), в структуре сплава осталась одна фаза - α(β). В интервале температур между точками 2 и 3 - охлаждение твердого раствора α(β). За счет снижения растворимости твердый раствор становится насыщенным. Критическая точка 3 - начало выделения вторичного твердого раствора βII(αII) из пересыщенного твердого раствора α(β) вследствие уменьшения растворимости компонентов при снижении температуры. В интервале температур между точкой 3 и комнатной выделяется вторичный твердый раствор βII(αII). В структуре сплава две фазы:

IV - α+βII; V - β+αII

5.4. Порядок выполнения работы

Работа выполняется звеньями (по два-три студента в каждом звене).

1. Изучить учебное пособие.

2. Получить жидкий сплав одного из составов (разд. II), установить термопару в кварцевый наконечник, погруженный в сплав, записать показания температуры через 30 с. Замер прекратить при температуре 140°С.

3. Построить по полученным данным кривую охлаждения сплава в координатах температура-время (рис.1).

4. Определить критические точки по перегибам кривой охлаждения, т.е. температуру начала и конца кристаллизации, отметить их на графике.

5. Указать в таблице критические точки сплавов, определенные другими звеньями студентов.

6. Построить диаграмму состояния олово-цинк (рис.2):

а) отложить на левой вертикали температуру кристаллизации олова - 232°С;

б) отложить на правой вертикали температуру кристаллизации цинка - 419°С;

в) найти положение сплава эвтектического состава и отметить температуру его кристаллизации;

г) найти положение сплавов доэвтектического и заэвтектического составов и отметить точки начала и конца кристаллизации;

д) соединить плавной кривой все точки начала кристаллизации и прямой линией - точки конца кристаллизации.

7.Выполнить индивидуальное задание.

5.5. Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Кривая охлаждения заданного сплава.

3. Диаграмма состояния олово-цинк, на которой указаны

а) линии ликвидус и солидус данной системы;

б) линия начала кристаллизации олова и цинка;

в) линия кристаллизации эвектики;

г) эвтектическая точка.

4. Структура сплавов доэвтектического, заэвтектического и эвтектического составов (рис.3).

5. Индивидуальное задание:

а) зарисовать данную преподавателем диаграмму состояния;

б) установить тип данной диаграммы;

в) определить структурный и фазовый состав различных ее областей;

г) определить положение сплава, данного преподавателем, на диаграмме состояния;

д) определить его критические точки, число степеней свободы в каждой критической точке по правилу фаз Гиббса и построить кривую охлаждения в координатах температура-время;

е) определить концентрацию компонентов в твердой и жидкой фазах по правилу отрезков, а также весовое количество фаз при заданной температуре;

ж) определить структуру заданного сплава.

5.6. Контрольные вопросы

1. Что такое диаграмма состояния?

2. Какой метод положен в основу построения диаграммы олово-цинк?

3. Что называется компонентом, фазой?

4. Как определяется концентрация фаз?

5. Как определяется соотношение масс фаз?

Каковы особенности эвтектического сплава?

7. Нарисовать диаграмму состояния с ограниченной и неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и проставить все фазы.

8. Нарисовать диаграмму состояния, когда компоненты не растворяются друг в друге, когда образуется устойчивое химическое соединение, проставить все фазы.

9. Как определяется число степеней свободы в критических точках?

1 пп – обозначает пониженную прокаливаемость стали марки 58.

EMBED CorelDRAW.Graphic.10