МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ��КУРС ЛЕКЦИЙ

​

«Металлы суть светлые тела, которые

ковать можно.»

М.В. Ломоносов

​

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

• наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами.

​

В технике под металлами понимают вещества, обладающие «металлическим блеском» и пластичностью.

Черные металлы

Для них характерны:

• темно-серый цвет;
• большая плотность;
• высокая температура плавления;
• во многих случаях - полиморфизм.

Наиболее типичный представитель этой группы металлов – железо.

ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ

• Железные металлы: Fe; Co; Ni; Mn…
• Тугоплавкие металлы: W; V; Cr…
• РЗМ: La; Ce; Nd…
• Урановые металлы – актиниды.
• Щелочноземельные металлы.

​

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ

Для них характерны:

• определенная окраска;
• высокая пластичность;
• малая твердость;
• относительно низкая температура плавления;
• отсутствие полиморфизма.

Наиболее типичный представитель этой группы – медь.

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ

• Легкие металлы: Be; Mg; Al.
• Благородные металлы: Ag; Au; металлы платиновой группы; полублагородная медь.
• Легкоплавкие металлы: Zn; Hg; Sn; Pb…

Кристаллическое строение металлов

Правильное, закономерное расположение частиц (атомов, молекул) в пространстве характеризует кристаллическое состояние. Поэтому в физике кристаллическое и твердое состояние – синонимы.

Кристаллическое состояние можно представить в виде пространственной решетки, в узлах которой расположены атомы.

Кристаллическое строение металлов

Элементарная кристаллическая ячейка – наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решетку.

Принятое изображение кристаллических решеток – условно.

ТИПЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЯЧЕЕК

Реальное строение металлических кристаллов

• Строение металлов является поликристаллическим.
• Кристаллы неправильной формы в металле называют зернами. Ориентация кристаллической решетки в зерне случайна. При холодной обработке давлением возникает текстура – преимущественная ориентировка зерен.

​

Реальное строение металлических кристаллов

• Точечные дефекты кристаллического строения:

вакансия

замещенный атом

внедренный атом

Реальное строение металлических кристаллов

• Линейный дефект кристаллической решетки – краевая дислокация.

Край экстраплоскости образует линейную дислокацию 1 - 1

Строение слитка

Впервые описано Д.К. Черновым в 1878 г.

Форма кристаллических образований

• Схема дендрита (древовидного кристалла) Д.К. Чернова.

Превращения в твердом состоянии: аллотропия

Существование одного металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии.

Т

ΔТ –гистерезис превращений

​

Температура полиморфного

превращения

Аллотропия железа

τ

Строение сплавов

• Сплав – вещество, получаемое сплавлением двух или более компонентов.
• Механическая смесь: компоненты, образующие сплав, не способны к взаимному растворению и не образуют соединения.

​

​

кристаллы А

кристаллы В

Кристаллы

Кристаллы А и В имеют различные кристаллические решетки.

Строение сплавов

• Твердый раствор на основе одного из компонентов сплава: образуется в сплавах, сохраняющих однородность жидкого расплава при кристаллизации. Существует в интервале концентраций.

Состоит из одного вида кристаллов и имеет одну кристаллическую решетку.

различают твердые растворы замещения (ограниченные и неограниченные)

и внедрения.

Строение сплавов

• Химическое соединение:
• Соотношение чисел атомов элементов соответствует стехиометрической пропорции и може6т быть выражено простой формулой (в общем виде - АnВm).
• Образуется специфическая (отличная от элементов, составляющих химическое соединение) кристаллическая решетка с упорядоченным расположением в ней атомов компонентов.
• Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления.

​

Правило фаз

C = k – f + 1

C – число степеней свободы

k – число компонентов

f - количество фаз

1 – число переменных

Это выражение применяют к металлическим системам, считая, что давление и концентрация постоянны.

​

​

Правило фаз (закон Гиббса)

• Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз и компонентов.

​

• Фаза: однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяются скачком.

​

• Компоненты: вещества, образующие систему.

​

• Число степеней свободы (вариантность) системы: число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз.

Диаграмма состояния

• Диаграмма состояния показывает изменение состояния в зависимости от температуры и концентрации (давление постоянно для всех рассматриваемых случаев).
• Для построения диаграмм состояния пользуются результатами термического анализа: строят кривые охлаждения и по остановкам и перегибами на этих кривых, определяют температуры фазовых превращений. Линиями соединяют точки аналогичных превращений.
• Каждая точка на диаграмме состояния показывает состояние сплава данной концентрации при данной температуре.

Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (1 рода)

1

Компоненты: вещества А и В (k=2).

Фазы: жидкость L, кристаллы А и кристаллы В (максимальное значение f=3).

C = k – f + 1

Эвтектика – механическая смесь двух (или более) видов кристаллов, одновременно кристаллизовавшихся из жидкости.

L

A + B

Правило отрезков

В%

А

В

А

С

В

t

К

b

a

c

r

1. Чтобы определить концентрацию компонентов в фазах, через данную точку характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают состав фаз.
2. Для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

b'

В сплаве К: r% В и (100 – r)%А.

АВ – все количество сплава; rА – количество В;

rВ – количество А в сплаве К.

В точке а: L + В; L имеет концентрацию b.

L содержит b‘% В (отрезок ab‘).

Если принять массу сплава К = 1 и она изображается bc, то масса кристаллов в точке а: х = ba / bc, а количество жидкости: 1 – х = ас / bc.

Отношение твердой и жидкой фаз:

х / (1-х) = ba / ас.

L

Диаграмма для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (2 рода)

100%

Компоненты: А и В (к = 2); фазы: L и α, где L – жидкость; α – твердый раствор (f=2).

c = k – f + 1

AmB – линия ликвидус; AnB – линия солидус.

Сплав К в точке а: L состава b и α состава с. Количество жидкой фазы L = ac / bc; количество твердой фазы α = ba / bc.

Диаграммы состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (3 рода). Диаграмма с эвтектикой.

B%

Компоненты: А; В : k.=2. Фазы: L; α (твердый раствор В в А); β (твердый раствор А в В): f=3. Следовательно возможно нонвариантное равновесие при одновременном существовании трех фаз (с =k – f + 1). В заданной системе не образуются фазы, представляющие собой чистые компоненты.

АЕВ – линия ликвидус; АDCB – линия солидус.

В точках 3 и 4 – 2 фазы: α и β. В точке 3 – 2 структурные составляющие: α и β‘‘. В точке 4 – 3 структурные составляющие: α, β и β'‘.

.

0

0

•

α

β''

α+β

Описание процесса охлаждения сплава 2

1. Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии.
2. В точке 1 начинается процесс кристаллизации. Выделяются кристаллы твердого раствора α. Концентрация которого изменяется по кривой сD, а состав жидкости по кривой 1Е.
3. При достижении горизонтальной прямой DEC наступает нонвариантная реакция. В равновесии находятся три фазы: жидкость (состава Е); α-кристаллы (состава D) и β-кристаллы (состава С).

4. В результате кристаллизации сплава, кроме первичных (выделившихся из жидкости) кристаллов α, образуется еще и эвтектика (α + β).

5. При охлаждении сплава 2 ниже линии DEC, вследствие изменения растворимости, α-кристаллы выделяют вторичные кристаллы β''. Выделение вторичных кристаллов из эвтектических составляющих обычно не обнаруживается, так как вторичные кристаллы объединяются с такой же фазой эвтектики.

Количественное определение фаз и структурных составляющих в сплавах

Сплав 1

Количество фаз и структурных составляющих при комнатной температуре:

α = 4G / FG

β'' = F4 / FG

​

Сплав 2

Количество фаз при комнатной температуре:

α = 3G / FG

β = F3 / FG

Количество структурных составляющих при температуре эвтектического превращения:

(α + β) = D2 / DЕ

α = E2 / DЕ

Диаграмма с устойчивым химическим соединением

100

Хим. соединение и чистые компоненты не образуют в твердом состоянии растворов. Компоненты: А, В, AnBm – можно рассматривать как однокомпонентную систему

Диаграмма железо – углерод.

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны.

Стали содержат < 2,14% углерода; чугуны содержат > 2,14% углерода.

Железо образует с углеродом химическое соединение – цементит Fe3C. Устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму при этом можно рассматривать по частям от железа до Fe3C (6,67%С). Это оправдано еще и тем, что на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода не более 5%.

Свойства и строение компонентов диаграммы железо - углерод

1. Железо – Fe: Тпл =1539° С; в твердом состоянии может находиться в двух модификациях: α (δ – высокотемпературная модификация) - решетка о.ц.к. и γ –решетка г.ц.к.; при 768°С происходит магнитное превращение; с углеродом железо образует растворы внедрения; твердый раствор углерода в α-железе называют ферритом, а в γ-железе – аустенитом.
2. Цементит – химическое соединение углерода с железом (карбид железа) Fe3C: Тпл = 1250°С; кристаллическая решетка крайне сложна; аллотропических превращений не испытывает; магнитные свойства теряет при 217°С; имеет практически нулевую пластичность; при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода (графита); твердый раствор металлов на базе решетки цементита называют легированным цементитом.

​

​

Обозначения, принятые для дальнейшего изложения.

• L – жидкость (жидкий раствор углерода в железе), существует выше линии ликвидус ABCD.
• Ц – цементит, соответствует линии DFKL.
• Ф – феррит – структурная составляющая, незначительный раствор углерода в α-железе, на диаграмме располагается левее линий GPQ и AHN.
• А – аустенит – структурная составляющая, твердый раствор углерода в γ-железе, область на диаграмме NJESG/

Нонвариантные реакции на диаграмме

1. Т=1499°С (линия HJB): L(B)+Ф(H)→A(J) - перетектическая реакция, наблюдается только у сплавов с содержанием углерода от 0,1% до 0,5%.
2. Т=1147°С (линия ECF): L(С)→А(H)+Ц – эвтектическая реакция, наблюдается у сплавов с содержанием углерода более 2,14% С, образовавшуюся в результате реакции эвтектическую смесь называют ледебуритом.
3. Т=727°С (линия PSK): A(S)→Ф(P)+Ц – эвтектоидная реакция, наблюдается у всех сплавов с содержанием углерода более 0,02%, образовавшуюся в результате реакции эвтектоидную смесь называют перлитом.

​

Процессы кристаллизации сплавов с содержанием углерода более 2,14%

t°С

5'

сплав К2

1. Первичная кристаллизация заканчивается эвтектической реакцией: L(4,3%С)→А(2,14%С)+Ц(6,67%С); в сплаве, содержащем 4,3%С происходит только эта реакция, структура в результате первичной кристаллизации – ледебурит.
2. В доэвтектическом сплаве К2 сначала идет выделение первичного аустенита; в точке а количество фаз определяется соотношением L(состава b) / А(состава с)=са / аb; структура в результате первичной кристаллизации – ледебурит + аустенит.
3. В заэвтектическом сплаве К2 первоначально выделяется первичный цементит; соотношение фаз в точке d определяется аналогично; структура в результате первичной кристаллизации – ледебурит + цементит.

​

Вторичная кристаллизация весьма малоуглеродистых сплавов

1. Сплав типа К1 (содержание углерода 0,01 <С%<0,02) : при охлаждении в интервале температур 1 – 2 происходит превращение А→Ф; ниже точки 2 сплав состоит из однородного α-твердого раствора феррита (Ф).
2. Сплав типа К2 (содержание углерода 0,01<С%<0,02): этот сплав отличается от сплава К1 тем, что вертикаль данного сплава пересекает линию РQ в точке 5. Ниже точки 5 происходит выделение из сплава высокоуглеродистой фазы – цементита (Ц), который называют третичным цементитом в отличие от первичного цементита, выделяющегося из жидкости, и вторичного цементита, выделяющегося из аустенита (А).

Вторичная кристаллизация сталей

t°С

Заэвтектоидный

сплав К2

1. Сплав 1:в точке S (727°С) происходит эвтектоидная реакция - А→Ф+Ц; образовавшуюся эвтектоидную смесь называют перлитом (П); перлит не фаза, а структурная составляющая, представляющая собой чередующиеся пластинки феррита и цементита.
2. Сплав К1: имеет избыток Fe по сравнению с эвтектоидной концентрацией 0,8%С; выделение Ф при охлаждении обогащает А углеродом и при 727°С происходит эвтектоидная реакция; после окончания превращения структура будет состоять из П и зерен Ф.
3. Сплав К2: при охлаждении в интервале 5 – 6 из А выделяется Ц, при этом А обедняется углеродом и при 727°С происходит эвтектоидная реакция; в результате получается структура, состоящая из Ц, выделяющегося по границам зерен в виде сетки и П.

Превращения при вторичной кристаллизации в высокоуглеродистых сплавах - чугунах

С%

Ф

t°

1. Эвтектический сплав (4,3%С): после затвердевания сплав имеет чисто ледебуритную структуру; при охлаждении от 1147°С до 727°С из А, входящего в состав эвтектики, выделяется вторичный Ц, который обычно структурно не обнаруживается; при 727°С А эвтектики имеет концентрацию 0,8%С и происходит перлитное превращение А→Ф+Ц; следовательно ниже 727°С ледебурит это смесь перлита и цементита.
2. Сплав К1: первичные кристаллы А изменяют свою концентрацию при охлаждении от точки 3 до точки 4 от 2,14 до 0,8%с и в точке 4 происходит перлитное превращение; структура такого чугуна ниже 727°С состоит из перлита, ледебурита и вторичного Ц.
3. Сплав К2: первичный Ц в заэвтектических чугунах не имеет превращений,поэтому в нем происходят превращения как в эвтектическом сплаве; структура ниже 727°С состоит из ледебурита и Ц

​

K

L

F

D

6,67

τ

Заэвтектический

сплав К2

Классификация сталей

1. По составу: углеродистые и легированные (никелевые, хромистые, хромоникелевые и т.д.).
2. По равновесной структуре: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.
3. По структуре после охлаждения на воздухе: перлитные, мартенситные, аустенитные.
4. И т. д.
5. По назначению: конструкционные инструментальные, стали и сплавы с особыми свойствами.

​

​

Углеродистые стали

• Основной металлический материал промышленности – углеродистая сталь.
• Углерод вводится в простую углеродистую сталь специально.
• Технологические примеси: марганец, кремний.
• Постоянные примеси: сера, фосфор, кислород, азот, водород.
• Случайные примеси: хром, никель, медь и др..

Конструкционная углеродистые стали обыкновенного качества общего назначения

Химический состав:

Маркировка различных групп углеродистых сталей обыкновенного качества

• Группа А – с гарантируемыми механическими свойствами (сталь не подвергается горячей обработке у потребителя): маркируется буквами Ст и цифрами от1 до 7, являющимися порядковым номером. Например, Ст 3.
• Группа Б – с гарантируемым химическим составом (подвергается горячей обработке у потребителя): маркируется аналогично группе А, но с дополнительными буквами М, К, Б, что характеризует способ производства – мартеновский, конверторный, бессемеровский соответственно. Например, МСт3, БСт4, КСт5.
• Группа В – с гарантируемыми механическими свойствами и химическим составом (подвергается сварке у потребителя)маркируется аналогично группе А, но с добавлением буквы В. Например, ВСт5.

​

Маркировка углеродистых сталей обычного качества разных способов раскисления

В зависимости от способа раскисления (с целью удаления кислорода) предлагаемые стали маркируют следующим образом:

1. Кипящая сталь - раскисленная только марганцем, содержит в марке буквы кп. Например, МСт1кп. Кипящие стали имеют наиболее низкое качество.
2. Спокойная сталь – раскисленная марганцем, кремнием и алюминием, содержит в марке буквы сп. Например, ВСт3сп. Спокойные стали имеют наиболее высокое качество.
3. Полуспокойная сталь – раскисленная марганцем и алюминием, содержит в марке буквы пс. Например, МСт4пс. Промежуточный вариант качества между кипящей и спокойной сталью.

Влияние углерода на свойства сталей

δ%

0

10

20

30

40

50

60

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

С%

HB – твердость по Бринеллю – одна из характеристик прочности стали (или сопротивления деформации).

​

δ% – относительное удлинение после разрыва - одна из характеристик пластичности стали.

​

Увеличение соде5ржания углерода приводит к повышению прочности и снижению пластичности стали.

Влияние постоянных примесей на свойства стали

• Марганец – вводится в любую сталь для ракскисления, поэтому его влияние на сталь различного состава остается примерно одинаковым; оказывает положительное воздействие на свойства стали (прежде всего повышает прочность).
• Кремний – вводится в сталь для раскисления, структурно не обнаруживается.
• Фосфор – попадает в сталь из руды, топлива и флюсов; вызывает хладноломкость стали (склонность к хрупкому разрушению при понижении температуры); облегчает обрабатываемость стали резанием (в автоматных сталях содержание фосфора до 0,15%).
• Сера – попадает в сталь из руды и печных газов; вызывает явление красноломкости стали (охрупчивание стали при температуре красного каления ≈ 800°С); облегчает обрабатываемость стали резанием (в автоматных сталях содержание серы до 0,3%).
• Газы – содержание в стали зависит от способа производства; при большом количестве водорода могут образоваться опасные флокены; кислород и азот образуют неметаллические включения (соответственно оксиды и нитриды).

Применение конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества

Конструкционные углеродистые качественные стали общего назначения

08; 10; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60

Цифры в обозначении марки стали показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Химический состав, %

Применение конструкционных углеродистых качественных сталей общего назначения

Углеродистые инструментальные стали

У7; У7А; У8; У8А; У9; У9А; У10; У10А; У12; У12А.

Цифра в марке – содержание С в десятых долях %

Применение: инструмент, который работает в условиях не вызывающих разогрев рабочей кромки – зубила, молотки, ножницы по металлу… (У7); фрезы, пилы продольные и дисковые, отвертки, стамески…(У8); слесарно-монтажный инструмент…(У9); метчики ручные, матрицы для холодной штамповки…(У10); метчики машинные, измерительный инструмент простой формы…(У12).

Твердость углеродистых инструментальных сталей резко уменьшается при нагреве выше 200°С.

Быстрорежущие стали

• Стали, предназначенные для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания, должны обладать горячей твердостью и красностойкостью (устойчивым сохранением твердости в нагретом состоянии при 500-600°С).Красностойкость создается легированием стали элементами, образующими специальные карбиды, которые не растворяются до высоких температур.
• Износостойкость режущего инструмента в первом приближении характеризуется твердостью в нагретом состоянии. Быстрорежущие стали – износостойкий материал.
• Буква Р в марке стали от слова рапид (скорость).

Твердые сплавы

Твердый сплав является металлокерамическим. Для его изготовления порошки карбидов вольфрама и титана смешивают со связующим веществом (кобальтом) и спекают при Т = 1500-2000°С. Твердость полученного материала настолько высока, что его можно только шлифовать. Инструмент не изготавливают целиком, а лишь режущую его часть, которую прикрепляют к державке из конструкционной стали. При высокой твердости и износостойкости сплав очень хрупок и не сопротивляется растягивающим напряжениям. Рабочая температура резания может составить 800-1000°С.

Применение: металлорежущий инструмент высокой производительности (резцы, фрезы, сверла и др.)

Конструкционные легированные стали� Система маркировки по ГОСТу

1. Обозначения состоят из цифр и букв, указывающих на примерный состав стали.
2. Каждый легирующий элемент обозначается буквой. Например, Н – никель, Х – хром, М – молибден, Г – марганец, С – кремний, Ю – алюминий и т.д.
3. Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (у высокоуглеродистых инструментальных сталей в десятых долях процента).
4. Цифры, идущие после буквы, указывают на примерное содержание данного легирующего элемента в процентах ( при содержании элемента менее 1% цифра отсутствует).
5. Примеры: 30ХМА; 10ГН2МФА; 20Х2Н4; 30ГСЛ и т.д.
6. Буква А в конце марки стали показывает, что в ней ограничено содержание серы и фосфора, а в середине марки – азот; буква Л в конце марки стали – литейная сталь (точнее - улучшенные литейные свойства).

​

Примеры применения конструкционных легированных сталей

Процесс графитизации

Tckb

При определенных кинетических условиях и диффузионных процессах при охлаждении вместо цементита образуется графит (Г).

Диаграмма Fe – C называется стабильной, а Fe – Ц – метастабильной. Образование графита из жидкости или аустенита происходит в узком интервале температур между линиями стабильной и метастабильной диаграмм то есть в условиях малых переохлаждений и, следовательно при малых скоростях охлаждения

1. Е'С'F‘ (1153°) – линия фазового равновесия L ↔ А + Г.
2. P'S'K‘ (738°) - линия фазового равновесия А ↔ Ф + Г

Кроме того, образование графита возможно при нагреве цементита (Ц – неустойчивое соединение) с образованием А + Г или Ф + Г.

Чугуны

Белый чугун – название получил по матово-белому цвету излома;

• структура в не нагретом состоянии: Ц + П(Ф + Г); т.е. весь углерод находится в форме цементита;
• свойства: высокая твердость и износостойкость, хрупкость, практически не поддается обработке режущим инструментом;
• марки: ИЧХ3, ИЧХ5, ИЧХ15… (износостойкий хромистый чугун с содержанием хрома 3%, 5%, 15% соответственно…);
• применение: детали, работающие в условиях интенсивного износа без ударных нагрузок(например, линейки направляющих, детали шаровых мельниц).

​

Серые чугуны

• Излом такого чугуна имеет серый цвет. Обладает хорошими литейными свойствами. В структуре присутствует графит, количество, форма и размеры которого изменяются в широких пределах. По строению металлической основы серые чугуны разделяют на: серый перлитный чугун (1) ; серый феррито-перлитный чугун (2); серый ферритный чугун (3). В обычном сером чугуне графит имеет пластинчатую форму (1 – 3).

Серые чугуны

• В высокопрочном сером чугуне графит находится в форме шаровидного графита, который принимает такую форму благодаря присадке магния или церия (модификаторов) (1). В ковком сером чугуне углерод находится в форме хлопьевидного графита (углерода отжига)(2), который образуется в процессе отжига белого чугуна.

Марки серых чугунов

σ_в- предел прочности при растяжении; δ% - относительное удлинение после разрыва; σ_и – предел прочности при изгибе.

Механические свойства металлических материалов и методы их определения

• Аспекты выбора материалов для изготовления деталей машин и механизмов:
• Механические (конструкционные) свойства материалов.
• Технологические свойства материалов. Это часть общих физико-химических свойств, по которым на основании практического опыта проектируют и реализуют процесс получения узлов и деталей макшин с наилучшими служебными свойствами. Методы определения технологических свойств стандартизованы.К числу важнейших относятся: свариваемость, паяемость, упрочняемость, обрабатываемость резанием, литейные свойства и технологическая деформируемость.
• Экономические параметры, связанные с изготовлением деталей.

Механические свойства металлических материалов и методы их определения

• Детали должны выдерживать (передавать) различные нагрузки: статические, динамические, циклические, тепловые и др.
• Способность материала в конструкции сопротивляться внешним воздействиям, (т.е. свойства материала), принято оценивать механическими характеристиками. Один и тот же материал при различных внешних условиях (температура, скорость нагружения и т.д.) может иметь различные механические свойства.
• Количественная оценка механических свойств материалов производится путем испытаний образцов в специальных испытательных машинах при определенных условиях. Размеры образцов и методики проведения испытаний стандартизованы.

Испытание на растяжение

Разрушение образца из пластичного материала

Образец для испытаний

Относительное

• удлинение

• сужение

Диаграмма растяжения с площадкой текучести

​

• σ_пц, σ_уп и σ_т– пределы пропорциональности, упругости и текучести;
• σ_в – временное сопротивление;
• σ_р – напряжение в момент разрыва.

Закон Гука σ = E·ε

Диаграмма растяжения без площадки текучести

• σ_0,2 – условный предел

текучести

• σ_р,ист – истинное напряжение в момент разрыва

σ_0,2

0,2%

Испытание на сжатие

d₀

h₀

Образец для испытаний

Деформация образца

из пластичного материала

из хрупкого материала

Диаграммы растяжения и сжатия пластичного и хрупкого материалов

σ

σ_ВС > σ_ВР

F

Разрушение образца из хрупкого материала

σ_вс

σ_ТС ≈σ_ТР

Испытания на изгиб

σ_и – предел прочности при изгибе

σ_и = F_кр / А

А – площадь поперечного сечения образца

асимметричный

Переменные циклы напряжений

симметричный

отнулевой (пульсирующий)

Кривая усталости

• σ_r - предел выносливости - максимальное значение напряжения цикла, при котором разрушение не происходит после практически неограниченного числа циклов изменения напряжений.
• Цикл изменения напряжений – совокупность последовательных значений переменных напряжений за один период их изменения.

​

Методы определения твердости материалов.

• Измерение твердости – упрощенный метод определения прочности. Твердость – одна из характеристик сопротивления деформации.
• Метод Бринелля: в испытуемый материал под действием силы Р внедряется шарик (индентор) диаметром D; число твердости по Бринеллю – НВ = Р / S, где S – сферическая поверхность отпечатка с диаметром d.
• Метод Роквелла: индентор – алмазный конус или стальной шарик; числом твердости считают величину обратную глубине вдавливания h; прибор имеет три шкалы: HRB – при вдавливании стального шарика; HRA и HRC при вдавливании алмазного конуса ( с различной нагрузкой).
• Метод Виккерса: индентор – алмазная пирамида; критерий числа твердости HV – диагональ отпечатка d.

​

​

Методы определения твердости материалов.

• Методы HB и HRB применяют для мягких материалов; HRC - для твердых материалов (например, закаленных сталей); методы HV и HRA - для тонких слоев (листов).
• Между различными методами существует примерная корреляция. По соответствующим таблицам можно перевести значение твердости, полученное одним из методов в значения твердости соответствующие другим методам.
• Число твердости по Бринеллю приблизительно в три раза больше чем предел прочности: НВ ≈ σ_в / 3.
• Метод определения микротвердости Н применим для определения твердости отдельных структурных составляющих. Индентор – алмазная пирамида при очень небольшой нагрузке (до 100г).
• Метод Шора - экспресс-метод определения твердости (HSD) крупных изделий в условиях производства по отскоку стального шарика

Сплавы меди

• Латуни – сплавы меди с цинком – при содержании цинка до 45%.

Свойства латуней:

• Сплав обладает высокой пластичностью, которая достигает максимального значения при 30% Zn. Латуни легко поддаются пластической деформации.
• Литейные свойства латуней: малая склонность к ликвации; хорошая жидкотекучесть; склонность к образованию концентрированной усадочной раковины.
• Механические свойства латуней: невысокая прочность – σ_в = 300 – 350 МПа при δ% = 40% - 20%.

Марки латуней:

• Двойные латуни: Л62 (62%Cu; 38% Zn) Л68; Л70; в том числе ювелирные латуни (томпаки): Л80; Л85; Л96.
• Специальные латуни: ЛС59-1 – автоматная латунь (59%Cu;1% Pb; 40% Zn); морская латунь – ЛО60-1 (60%Cu; 1%Sn; 39% Zn); латунь с повышенной прочностью – ЛАН59-3-2 (59%Cu; 3%Al; 2%Ni; 36%Zn).

​

Сплавы меди

• Оловянистые бронзы – сплавы меди с оловом.

Свойства оловянистых бронз:

• Бронзы, содержащие более 5% – 6% Sn обладают низкой пластичностью, их не куют и не прокатывают, а применяют в литом виде.
• Высокие литейные свойства бронз определяются прежде всего малой усадкой (менее 1%) при довольно низкой жидкотекучести.
• Бронзы обеспечивают высокую стойкость против истирания; бронза с 10% олова - наилучший антифрикционный материал.
• Высокая химическая стойкость.

Применение:

• Отливки сложной формы, в т.ч. художественное литье.
• Вкладыши подшипников какчения.
• Арматура (паровая, водяная и др.)

Сплавы меди

• Сплавы меди с алюминием, кремнием, бериллием и др. элементами также называют бронзами: алюминиевыми, кремнистыми, бериллиевыми и т.д.
• Эти бронзы не имеют такой низкой усадки как оловянистакя бронза, но превосходят ее по механическим свойствам (алюминиевая, кремнистая), по химической стойкости (алюминиевая), по жидкотекучести (кремнистая), по твердости и упругости (бериллиевая).

Марки бронз

​

БрО10 90%Cu; 10%Sn

БрОЦСН 3-7-5-1 84%Cu; 3%Sn; 7%Zn; 5%Pb; 1%Ni

БрАЖН 10-4-4 82%Cu; 10%Al; 4%Fe; 4%Ni

Термическая обработка

Технология металлов включает в себя:

1. Металлургию – получение металла заданного состава.
2. Механическую технологию – получение из металла изделий заданной формы.
3. Термическую обработку – получение заданных свойств.

Параметры термической обработки:

1. Максимальная температура нагрева – t_max.
2. Время выдержки сплава при температуре нагрева - τ_в .
3. Скорость нагрева - v_нагр .
4. Скорость охлаждения – v_охл.

Режим термической обработки можно представить в виде график в координатах температура - время

​

Основные виды термической обработки

1. Отжиг (первого рода) – термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.
2. Отжиг (второго рода) – нагрев металла выше температуры превращения с последующим достаточно медленным охлаждением для получения структурно устойчивого состояния сплава.
3. Закалка – нагрев металла выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.
4. Отпуск – нагрев закаленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния .

Сложные виды термической обработки

• Химико-термическая обработка – нагрев сплава в соответствующих химических реагентах для изменения состава и структуры поверхностных слоев. В данном случае используется способность металлов растворять различные, окружающие их поверхность элементы, атомы которых, при повышенных температурах, могут дифундировать в металлы.
• Термомеханическая (термопластическая) обработка – деформация и последующая термическая обработка, сохраняющая в той или иной форме результаты наклепа

​

Виды термической обработки стали

2

K

E

Основа изучения термообработки стали – диаграмма железо – углерод.

Общепринятые обозначения критических точек (А):

• А₁ – линия PSK – соответствует превращению

А ↔ П;

• А₃ – линия GSE – соответствует началу выпадения или концу растворения Ф (в доэвтектоидных сталях) или Ц (в заэвтектоидных сталях);
• Аc₁ и Аc₃ – обозначение критических точек при нагреве;
• Аr₁ и Ar₃ – обозначение критических точек при охлаждении.

​

1. Отжиг – нагрев выше Ас₃ с последующим медленным охлаждением (если охлаждение происходит на воздухе то такой вид термообработки называют нормализацией); при охлаждении из межкритического интервала термообработку называют неполным отжигом.
2. Закалка нагрев выше Ас₃ с последующим быстрым охлаждением; при охлаждении из межкритического интервала термообработку называют неполной закалкой.
3. Отпуск – нагрев закаленной стали ниже Ас₃.

​

Четыре основных превращения в стали

1. Превращение перлита в аустенит при нагреве: П→А.
2. Превращение аустенита в перлит при медленном охлаждении: А→П.
3. Превращение аустенита в мартенсит при закалке: А→М. (Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе.
4. Превращение мартенсита в перлит (феррито – карбидную смесь) чаще всего при нагреве: М→П.

Представленные фазовые превращения используются при термообработке и обусловлены изменением температуры.

​

Практическое значение температуры рекристаллизации

1. Горячая обработка давлением – пластическое деформирование выше температуры рекристаллизации. При этом упрочнение металла, если и произойдет, то будет немедленно сниматься процессами рекристаллизации, протекающими при этих температурах.
2. Холодная обработка давлением – пластическая деформация ниже температуры рекристаллизации. Такая обработка вызывает наклеп (нагартовку) металла – упрочнение металла под действием пластической деформации.

Образование аустенита

t°,С

При обычных условиях нагрева:

1. Для начала превращения необходим перегрев выше А₁.
2. Превращение происходит в интервале температур.

Кривые начала и конца превращения асимптотически приближаются к линии А₁ .

Отжиг пластически деформированного металла

1. Пластическая деформация приводит металл в структурно неустойчивое состояние. Искажается кристаллическая решетка, появляется текстура (определенная ориентировка зерен).
2. Возврат (отдых) – снятие искажений кристаллической решетки в процессе нагрева до 300° – 400°С. Твердость и прочность несколько понижаются, а пластичность возрастает.
3. Рекристаллизация (первая стадия) – образование новых зерен протекает при более высокой температуре (для сплавов Т рекристаллизации ≈ 0,8Т плавления). Свойства металла становятся прежними.

4, 5. Рекристаллизационный отжиг – вторая стадия рекристаллизации – образование и рост равноосных зерен. Происходит при более высоких температурах.( Вторичная или собирательная рекристаллизация).

​

​

​

Распад аустенита� Диаграмма изотермического превращения аустенита

А₁

Структура

Твердость НВ

t°С

Минимальная скорость охлаждения необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения называется критической скоростью закалки.

Превращения при отпуске

Исходная структура: мартенсит – структура закаленной стали. Мартенсит – структура, обладающая наибольшим объемом, а аустенит – минимальным.

1. Первое превращение: в интервале температур 80° - 200°С образуется мартенсит отпуска, при этом тетрагонапьность решетки мартенсита уменьшается вследствие выделения карбидов.
2. Второе превращение: в интервале температур 200° - 300°С происходит распад остаточного аустенита с образованием мартенсита отпуска, при этом объем увеличивается.
3. Третье превращение: в интервале температур 300° - 400°С происходит снятие внутренних напряжений, возникающих в результате предыдущих превращений, сопровождавшимися объемными изменениями.
4. Четвертое превращение: выше 400°С происходит интенсивная коагуляция карбидов, образуется смесь Ф + Ц в виде тростита (350° - 500°С) или сорбита (500° - 600°С).

Влияние параметров закалки на твердость стали

30

40

50

60

HRC

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

Нагрев выше А_С3

Нагрев выше А_С1

Влияние температуры отпуска на свойства закаленной стали 40

200

0

300

400

500

600

Температура отпуска, °С

Практика термической обработки

Закалка стали.

• Закаливаемость – характеризуется максимальным значением твердости, приобретенным сталью в результате закалки.
• Прокаливаемость – глубина проникновения закаленной зоны.

​

А₁

D_к – критический диаметр- максимальный диаметр цилиндрического прутка,который прокаливается насквозь в данном охладителе.

Внутренние напряжения при закалке

1. Внутренние напряжения первого рода (термические): зональные внутренние напряжения, возникающие между отдельными зонами сечения и различными частями детали. Чем больше градиент температур по сечению, тем больше напряжения первого рода.
2. Внутренние напряжения второго рода (структурные): возникают внутри зерна или между соседними зернами. Эти напряжения возникают между различными фазами вследствие того, что у них разные коэффициенты линейного расширения, или из-за образования новой фазы с иным объемом.
3. Остаточные напряжения – напряжения, которые сохранилась в детали в результате охлаждения.

Отпуск – необходимое и радикальное средство уменьшения остаточных напряжений.

Химико-термическая обработка.

• Преимущества по сравнению с закалкой ТВЧ:
• Независимость от внешней формы изделия.
• Большее различие между свойствами сердцевины и поверхности.
• Последствия перегрева могут быть устранены последующей термической обработкой.
• Виды ХТО:
• Цементация – насыщение поверхности детали углеродом с последующей закалкой, при которой на поверхности получается высокоуглеродистый мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твердость и высокая вязкость.
• Азотирование – насыщение поверхности детали азотом, которое осуществляют на готовых деталях, т.к. азотированный слой обладает высокой твердостью, а размеры изделий изменяются после азотирования крайне мало.
• Цианирование.
• Диффузионная металлизация – процесс диффузионного насыщения поверхности деталей металлами. Например: хромирование или алитирование для повышения жаростойкости изделий.