МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ��КУРС ЛЕКЦИЙ
«Металлы суть светлые тела, которые
ковать можно.»
М.В. Ломоносов
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
В технике под металлами понимают вещества, обладающие «металлическим блеском» и пластичностью.
Черные металлы
Для них характерны:
Наиболее типичный представитель этой группы металлов – железо.
ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ
Для них характерны:
Наиболее типичный представитель этой группы – медь.
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ
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
ОЦК
ГЦК
Гексагональная плотноупакованная
Реальное строение металлических кристаллов
Реальное строение металлических кристаллов
вакансия
замещенный атом
внедренный атом
Реальное строение металлических кристаллов
экстраплоскость
1
1
Край экстраплоскости образует линейную дислокацию 1 - 1
Строение слитка
Впервые описано Д.К. Черновым в 1878 г.
наружная мелкозернистая корка
усадочная раковина
зона равноосных кристаллов
зона столбчатых кристаллов
Форма кристаллических образований
Превращения в твердом состоянии: аллотропия
Существование одного металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии.
Т
ΔТ –гистерезис превращений
τ
β
ά
ά
β
β ά
ά β
охлаждение
нагрев
ΔТ
Температура полиморфного
превращения
Аллотропия железа
τ
Т,○С
1539
1392
911
768
L
α
γ
α
(оцк)
(гцк)
(оцк)
точка Кюри
Строение сплавов
кристаллы А
кристаллы В
Кристаллы
Кристаллы А и В имеют различные кристаллические решетки.
Строение сплавов
Состоит из одного вида кристаллов и имеет одну кристаллическую решетку.
различают твердые растворы замещения (ограниченные и неограниченные)
и внедрения.
Строение сплавов
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)
Диаграмма состояния
Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (1 рода)
1
В%
t
0
100%
L
L+A
L+B
A+B
1
2
3
2
1
2
3
D
C
E
A
B
3
1
2
2'
3
2
2'
3
1
2
2'
А
А+В
А+В
В
А+В
А+В
3
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
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.
t
τ
1
2
3
0 - 1
0
1 - 2
2 - 3
L
L+α
α
t
B%
0
L
K
L+α
α
a
b
c
m
A
B
n
1
2
3
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
t
0
100
L
β
B
A
α
L+β
Е
D
C
α+β''
α+(α+β)+β''
β+(α+β)
L+α
F
G
1
2
3
1
2
4
3
с
b
0
•
α
β''
α+β
1
2
3
4
L
L+α
α
αβ
α+β
1
2
2'
3
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
α
β''
L
α+β
Описание процесса охлаждения сплава 2
t
0
100
L
β
B
A
α
L+β
Е
D
C
α+β''
α+(α+β)+β''
β+(α+β)
L+α
F
G
1
2
3
1
2
4
3
с
b
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
t
0
100
L
β
B
A
α
L+β
Е
D
C
α+β''
α+(α+β)+β''
β+(α+β)
L+α
F
G
1
2
3
1
2
4
3
с
b
Е'
D'
Диаграмма с устойчивым химическим соединением
100
t°С
В%
0
А
В
Е1
Е2
L+А
L+AnBm
L+AnBm
L+B
AnBm
B +AnBm
A+ AnBm
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
Обозначения, принятые для дальнейшего изложения.
Нонвариантные реакции на диаграмме
Процессы кристаллизации сплавов с содержанием углерода более 2,14%
t°С
5'
сплав К2
L
Е
С
F
D
С%
2,14
К1
К2
4,3
6,67
1
1
2
c
a
b
e
d
f
4
5
1
2
2'
4
5
эвтектоидный сплав, 4,3% С
сплав К1
1147°С
А
Вторичная кристаллизация весьма малоуглеродистых сплавов
t°С
911
1
2
3
4
5
Q
P
0,01
К1
К2
727
0,02
С, %
τ
Ф
А
Сплав К1
Сплав К2
1
2
3
4
5
Вторичная кристаллизация сталей
t°С
Заэвтектоидный
сплав К2
P
Q
G
A
E
S
K
1
2
c
b
3
4
5
6
7
0,8
2
С%
0,02
t°С
τ
К1
К2
1
1'
2
3
3'
5
6
6'
а
Эвтектоидный сплав
Доэвтектоидный
сплав К1
Ф
Превращения при вторичной кристаллизации в высокоуглеродистых сплавах - чугунах
С%
Ф
t°
K
L
F
D
6,67
G
Q
P
S
C
L
E
A
0,8
2,0
К1
4,3
К2
3
4
1
2
5
6
τ
Заэвтектический
сплав К2
1
1'
2
2'
3
3'
4
4'
5
5'
6
6'
Эвтектический сплав 4,3%С
Доэвтектический
сплав К1
Классификация сталей
Углеродистые стали
Конструкционная углеродистые стали обыкновенного качества общего назначения
Химический состав:
Марка стали | С% | S≤ | P≤ |
Ст 0 | ≤0,23 | 0,07 | 0,055 |
Ст1 | 0,06-0,12 | 0,045 | 0,055 |
Ст2 | 0,09-0,15 | 0,045 | 0,055 |
Ст3 | 0,14-0,22 | 0,045 | 0,055 |
Ст4 | 0,18-0,27 | 0,045 | 0,055 |
Ст5 | 0,28-0,37 | 0,045 | 0,055 |
Ст6 | 0,38-0,49 | 0,045 | 0,055 |
Ст7 | 0,50-0,62 | 0,045 | 0,055 |
Маркировка различных групп углеродистых сталей обыкновенного качества
Маркировка углеродистых сталей обычного качества разных способов раскисления
В зависимости от способа раскисления (с целью удаления кислорода) предлагаемые стали маркируют следующим образом:
Влияние углерода на свойства сталей
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
| | | | | | |
δ%
0
10
20
30
40
50
60
HB
100
200
300
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
Применение конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества
Марка стали | Применение |
Ст0; Ст1 | Второстепенные элементы конструкций и неответственные детали, :настилы, арматура, шайбы, перила, кожухи и т. д. |
Ст2 | Неответственные детали, требующие повышенной пластичности, малонагруженные элементы сварных конструкций, работающие при постоянных нагрузках и положительных температурах. |
Ст3 | КП – малонагруженные элементы сварных конструкций, работающие в интервале температур Т°С от -10 до +400°С; СП – фасонный и листовой прокат – несущие элементы сварных конструкций, работающие при переменных нагрузках в интервале температур от -40 до +425°С |
Ст4 | ПС – сварные, клепаные, болтовые конструкции повышенной прочности в виде сортового проката, а также для малонагруженных валов, осей, втулок и др. |
Ст5 | ПС, СП - детали клепаных конструкций, болты, гайки, втулки, упоры, штыри, пальцы и т.д., работающие в интервале температур от 0 до +425°С. |
Ст6,Ст7 | ПС, СП – детали повышенной прочности – оси, валы, пальцы, поршни, шпонки и т. д. |
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.
Марка стали | C | Mn | Si | P ≤ | S ≤ | Cr ≤ | Ni ≤ | Cu ≤ | As ≤ |
ВСт5сп | 0,28-0,37 | 0,50-0,80 | 0,15-0,35 | 0,04 | 0,05 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,08 |
Сталь 30 | 0,27-0,35 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,035 | 0,04 | 0,25 | 0,25 | 0,25 | 0,08 |
Химический состав, %
Применение конструкционных углеродистых качественных сталей общего назначения
Марка стали | Применение |
Сталь 15 | Заменитель: стали 10, 20. Болты, винты, крюки и др. детали, к которым предъявляются требования высокой пластичности и работающие при температуре от -40 до 450°С. После ХТО – кулачки, гайки и др. детали с высокой поверхностной твердостью. |
Сталь 30 | Заменитель: стали 25 и 35.Рычаги, валы, соединительные муфты и др детали невысокой прочности. |
Сталь 40 | Заменитель: стали 35 и 45. После ТО: коленчатые валы, шатуны, зубчатые колеса, оси и др. После ТВЧ: средних размеров валики, зубчатые колеса и др. |
Сталь 50 | Заменитель: стали 45 и 55. После ТО: зубчатые колеса, прокатные валки, тяжелонагруженные валы и оси, миалонагруженные пружины и рессоры и т.д. |
Сталь 60 | Заменитель: сталь 55. Цельнокатаные колеса вагонов, рабочие валки листовых станов для горячей прокатки, диски сцепления и др, т.е. детали с высокой прочностью и износостойкостью. |
Углеродистые инструментальные стали
У7; У7А; У8; У8А; У9; У9А; У10; У10А; У12; У12А.
Цифра в марке – содержание С в десятых долях %
Марка стали | C% | Mn% | Si% | S% ≤ | P% ≤ | Cr% ≤ | Ni% ≤ | Cu% ≤ |
У7А | 0,66-0,73 | 0,17-0,28 | 0,17-0,33 | 0,018 | 0,025 | 0,20 | 0,20 | 0,20 |
У7 | 0,66-0,73 | 0,17-0,38 | 0,17-0,33 | 0,028 | 0,030 | 0,20 | 0,25 | 0,25 |
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
Марка стали | C% | Cr% | W% | V% | Mo% | Вид карбидной фазы |
Р18 | 0,7 | 4 | 18 | 1 | - | М6С |
Р9 | 0,9 | 4 | 9 | 2 | - | М6С; МС |
Р6М5 | 0,9 | 4 | 6 | 2 | 5 | М6С; МС |
У7 | 0,7 | | | | | Fe3C |
Твердые сплавы
Марка сплава | WC | TiC | Co |
ВК2 | 98 | - | 2 |
ВК6 | 94 | - | 6 |
Т5К10 | 85 | 5 | 10 |
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
Примеры применения конструкционных легированных сталей
Стали | Применение |
30Х; 35Х; 35ХРА | Оси, рычаги, болты, гайки и др. некрупные изделия. |
40Х; 45Х;38ХА; 40ХН; 50Х | Оси, валы, валы-шестерни, коленчатые и кулачковые валы, зубчатые колеса и др улучшаемые детали повышенной прочности. |
30ХМ; 30ХМА; 35ХМ; 40ХН; 30ХМ; 30ХГСА | Валы, шестерни; шпильки; фланцы и др. ответственные детали, работающие при высоких нагрузках и при Т = 450 - 500°С |
30ХН2МФА; 30ХН2ВФА | Валы, цельнокованые роторы, детали редукторов, шпильки и др. детали турбин и компрессорных машин, работающие при повышенных температурах. |
ШХ15; ШХ9; ШХ12 | Шарики d≤150 мм, ролики d≤23 мм, кольца подшипников с толщиной стенки до 14 мм, ролики толкателей и др. детали от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность. В стали ШХ15: С – 1%; Мn – 0,3%; Si – 0,25; Сr – 1,5%. |
70; 65Г; 60С2А; 9ХС;60С2; 55С2;50ХФА | Пружины, рессоры, фрикционные диски и др. детали, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости и работающие без ударных нагрузок. |
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
G
Q
P
S
C
L
E
A
0,8
2,14
Ф
2,11
0,7
4,43
4,26
Е'
С'
S'
1147
1153
738
727
F'
F
K'
K
А+Г
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;
Серые чугуны
1
п
П
Г
2
П
Ф
Г
3
Ф
Г
Серые чугуны
1
Ф
Г
2
Ф
Г
Марки серых чугунов
Вид чугуна | Примеры маркировки | Свойства | Применение |
Обычный серый | СЧ12-28 СЧ18-36 | σв =12 кгс/мм2 =120 МПа σи = 28 кгс/мм2= 280 МПа σв = 18 кгс/мм2; σи = 36кгс/мм2 | Станины; корпуса редукторов;тракторные отливки, поршневые кольца и др. |
Высоко- прочный чугун | ВЧ50-1,5 ВЧ45 -5 | σв= 50 кгс/мм2 = 500 МПа δ% = 1,5% σв = 45 кгс/мм2; δ% = 5% | Коленчатые валы; арматура тоннелей метро; канализационные трубы; и др. |
Ковкий чугун | КЧ35-10 КЧ45-6 | σВ = 35 кгс/мм2 = 350 МПа δ% = 10% σВ = 45 кгс/мм2 ; δ% = 6% | Литые детали машин, не испытывающие значительных растягивающих и ударных нагрузок. |
σв- предел прочности при растяжении; δ% - относительное удлинение после разрыва; σи – предел прочности при изгибе.
Механические свойства металлических материалов и методы их определения
Механические свойства металлических материалов и методы их определения
Испытание на растяжение
Разрушение образца из пластичного материала
l0
d0
Образец для испытаний
d1
F
F
«шейка»
l1
Относительное
Диаграмма растяжения с площадкой текучести
Закон Гука σ = E·ε
Диаграмма растяжения без площадки текучести
текучести
σ0,2
0,2%
εост
εуп
σр,ист
σр
σв
Испытание на сжатие
d0
h0
Образец для испытаний
Деформация образца
из пластичного материала
из хрупкого материала
F
F
Диаграммы растяжения и сжатия пластичного и хрупкого материалов
σ
σВС > σВР
F
Разрушение образца из хрупкого материала
σвс
ε
σвр
F
σтр
σтс
σТС ≈σТР
Испытания на изгиб
F
σи – предел прочности при изгибе
σи = Fкр / А
А – площадь поперечного сечения образца
асимметричный
Переменные циклы напряжений
симметричный
отнулевой (пульсирующий)
Кривая усталости
Методы определения твердости материалов.
Методы определения твердости материалов.
Сплавы меди
Свойства латуней:
Марки латуней:
Сплавы меди
Свойства оловянистых бронз:
Применение:
Сплавы меди
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:
Параметры термической обработки:
Режим термической обработки можно представить в виде график в координатах температура - время
Основные виды термической обработки
Сложные виды термической обработки
Виды термической обработки стали
2
K
E
Q
G
P
A
S
0,8
С%
0,02
Ф
А+Ц
П+Ц
Ф+П
А+Ф
Ф+Ц
А1
А3
Основа изучения термообработки стали – диаграмма железо – углерод.
Общепринятые обозначения критических точек (А):
А ↔ П;
Четыре основных превращения в стали
Представленные фазовые превращения используются при термообработке и обусловлены изменением температуры.
Практическое значение температуры рекристаллизации
Образование аустенита
t°,С
v1
v2
τ, мин
А1
Начало превращения П→А
Конец превращения П→А
При обычных условиях нагрева:
Кривые начала и конца превращения асимптотически приближаются к линии А1 .
Отжиг пластически деформированного металла
1
2
3
4
5
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.
lg τ
Перлит
Сорбит
Тростит
Бейнит
Мн
Мартенсит
150
200
250
400
600
vкр
Превращения при отпуске
Исходная структура: мартенсит – структура закаленной стали. Мартенсит – структура, обладающая наибольшим объемом, а аустенит – минимальным.
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 АС3
Нагрев выше АС1
Влияние температуры отпуска на свойства закаленной стали 40
200
0
300
400
500
600
Температура отпуска, °С
100
200
300
400
500
НВ
400
600
800
1000
1200
σb σ0,2
МПа
12,5
25,0
37,5
50,0
62,5
δ%
σв
δ%
НВ
σ0,2
Практика термической обработки
Закалка стали.
А1
М
τ
t°С
Центр
Поверхность
½r
½r
½r
Поверхность
½r
Центр
Dк – критический диаметр- максимальный диаметр цилиндрического прутка,который прокаливается насквозь в данном охладителе.
Внутренние напряжения при закалке
Отпуск – необходимое и радикальное средство уменьшения остаточных напряжений.
Химико-термическая обработка.