материаловедение

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
«ВОСКРЕСЕНСКИЙ КОЛЛЕДЖ»





ФИЛАТОВ К.А. Авторство
БОНДАРЕНКО В.В. Авторство
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ


ТЕСТИРОВАННОЕ ИЗДАНИЕ УЧЕБНИКА
1-е издание
               
 






Воскресенск
«Воскресенский колледж»
2018
Предисловие

   
          
Материаловедение – междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов, как в твёрдом, так и в жидком состоянии, в зависимости от некоторых факторов.
К изучаемым свойствам относятся структура веществ, электронные, термические, химические, магнитные, оптические свойства этих веществ.
Материаловедение можно отнести к тем разделам физики и химии, которые занимаются изучением свойств материалов. Кроме того, эта наука использует целый ряд методов, позволяющих исследовать структуру материалов.
При изготовлении наукоёмких изделий в промышленности, особенно при работе с объектами микро и нано размеров необходимо детально знать характеристику свойств и строение материала.
Основная цель материаловедения – разработка новых материалов и сплавов.
Целью этого издания не является изложение материаловедения во всём его многообразии. Его задача –научить читателя основам навыкам, которые когда то были изложены моим преподавателем. При этом большое внимание уделено предыстории материаловедения, выделению этапов и основных закономерностей её развития.


3
Введение

Что такое материаловедение?
 


Материаловедение относится к числу основополагающих дисциплин для машиностроительных специальностей. Это связано с тем, что получение, разработка новых материалов, способы их обработки являются основой современного производства и во многом определяют уровнем своего развития научно-технический и экономический потенциал страны. Проектирование рациональных, конкурентоспособных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения.
Материаловедение является основой для изучения многих специальных дисциплин.
Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое применение в технике. Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, причем каждое зависит от особенностей внутреннего









4
Введение

строения материала. В связи с этим материаловедение как наука занимается изучением строения материала в тесной связи с их свойствами. Основные свойства материалов можно подразделить на физические, механические, технологические и эксплуатационные.
От физических и механических свойств зависят технологические и эксплуатационные свойства материалов.
Среди механических свойств прочность занимает особое место, так как, прежде всего от нее зависит неразрушаемость изделий под воздействием эксплуатационных нагрузок. Учение о прочности и разрушении является одной из важнейших составных частей материаловедения. Оно является теоретической основой для выбора подходящих конструкционных материалов для деталей различного целевого назначения и поиска рациональных способов формирования в них требуемых прочностных свойств для обеспечения надежности и долговечности изделий.
Основными материалами, используемыми в машиностроении, являются и еще долго будут оставаться металлы и их сплавы. Поэтому основной частью материаловедения является металловедение, в развитии которого, ведущую роль сыграли российские ученые: Аносов П.П., Чернов Д.К., Курнаков Н.С., Гуляев А.П. и другие.













5
Направление развития
материаловедения

 


Особенно интенсивно развивается металловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики.
До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. При этом эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. По этой причине, по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Этилегкиеипрочныесплавыпозволяютв 2-3раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.

 
6
Направление развития материаловедения

Направления исследований материаловедения:
   ; Космическое материаловедение;
   ; Нанотехнологии;
 ; Металлургия (металловедение).
Космическое материаловедение - раздел междисциплинарной науки материаловедения, изучающий свойства материалов в космическом пространстве. Радиационная стойкость и защита. Изучение изменения свойств материалов под воздействием солнечного ветра и при нахождении в радиационных поясах Земли.
Нанотехнология – область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза.               
Металловедение – прикладная наука, которая изучает строение, свойства металлов, устанавливает связь между химическим составом, структурой и свойствами металлов.

      









7
Раздел 1. Физико-химические закономерности формирования структуры материалов

 

Тема 1.1. Строение и свойства материалов

Материал – вещество (совокупность веществ), из которого изготовлено техническое изделие, имеющее функциональное значение.

Кристаллическое строение материалов

Кристаллы – твердые тела, обладающие трехмерной периодической атомной (молекулярной) структурой и имеющие форму правильных симметричных многогранников.
Кристаллическая структура (рис. 1.1) – периодически повторяющаяся в пространстве элементарная часть кристаллической решетки (элементарная ячейка). С каждой точкой ячейки связана группа атомов, которая называется базисом. Базис повторяется в пространстве и образует кристаллическую структуру. 

8
Тема 1.1. Строение и свойства материалов

В металлах отсутствуют направленные связи, т.к. валентные электроны принадлежат всему кристаллу. Это и определяет высокую симметрию и компактность структур большинства металлических кристаллов.

Свойства материалов

Свойство – количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами. Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении при действии внешних нагрузок.
Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться разным способам обработки.
Литейные свойства – способность материала к получению качественных отливок без трещин, раковин и других дефектов.
Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.




















9
Тема 1.1.1. Строение и свойства чистых металлов

Тема 1.1.1. Строение и свойства чистых металлов. Классификация металлов. Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток. Механические методы испытаний.

 



Строение и свойства чистых металлов
Как известно, все вещества делятся на металлы и неметаллы. Металлы расположены в левой части Периодической таблицы Менделеева (левее галлия, индия и таллия). Почти 80 % чистых веществ в природе – металлы.






С точки зрения атомного строения металлы можно подразделить на:
; простые с полностью заполненными или пустыми внутренними электронными оболочками;
; переходные (25 элементов), в которых заполнение внешних электронных оболочек происходит при частичном заполнении внутренних, такие металлы, как  Fe, Ni, Co, W, Ti, Mo, Cr, Mn, Sm, Sc.

10
Тема 1.1.1. Классификация металлов

 

В кристаллических твердых телах, в том числе и металлах, расположение атомов полностью упорядочено, о чем можно судить по часто встречающейся симметрии их внешней формы, правильной внешней органке. В кристаллах имеет место дальний порядок, т.е. упорядоченное расположение частиц по отношению к любой частице наблюдается в пределах значительного объема.

Классификация металлов

Все существующие металлы условно принято подразделять на черные и цветные.
Черные металлы
Промышленное название железа и его сплавов (чугун, сталь, ферросплавы и др.). Черные металлы составляют более 90 % всего объёма, используемых в экономике металлов, из них основную часть составляют различные стали.
Цветные металлы
Все остальные,  Zr(цирконий),Au(золото),Ag(серебро),Pt(платина) и т.д.
Цветные металлы в свою очередь подразделяются на следующие группы:
11
Тема 1.1.1. Кристаллическое строение металлов

; ; тяжелые цветныес плотностью ; благородные, например:Au(золото),Ag(серебро),Pt(платина);
; редкие.
*Редкие металлы в свою очередь подразделяют на:
; тугоплавкие (с температурой плавления выше 1875°С), например: Та (тантал);
*легкие, например: Sr(стронций),Sc(скандий),Rb(рубидий),Cs(цезий);
*радиоактивные, например: U(уран);Ra(радий),Ae(актинидий),Pd(палладий);
* редкоземельные,например: Се (церий),Re(рений).

Кристаллическое строение металлов
Атомно-кристаллическое строение металлов
В чем же заключается такое строение, чем характеризуется? Само название говорит о том, что все металлы представляют собой кристаллы в твердом состоянии, то есть при обычных условиях (кроме ртути, которая является жидкостью). А что такое кристалл?
Это условное графическое изображение, построенное путем пересечения воображаемых линий через атомы, которые выстраивают тело. Другими словами, каждый металл состоит из атомов. Они располагаются в нем не хаотично, а очень правильно и последовательно.


12
 Тема 1.1.1. Типы кристаллических решеток

 

Это и принято называть кристаллической решеткой металла. Она очень сложная и пространственно-объемная, поэтому для упрощения показывают не всю ее, а лишь часть, элементарную ячейку. Совокупность таких ячеек, собранная вместе и отраженная в трехмерном пространстве, и образует кристаллические решетки.
Химия, физика и металловедение - это науки, которые занимаются изучением особенностей строения таких структур.

Типы кристаллических решеток

Для большинства металлов характерны следующие типы кристаллических решеток:
- объемно-центрированная кубическая (ОЦК);
- гранецентрированная кубическая (ГЦК);
- гексагональная плотноупакованная (ГПУ).
Основные типы кристаллических решеток представлены на рис. 1.4. В объемно-центрированной кубической решетке (рис. 1.4, а) атомы расположены в углах и центре куба. Период решетки равен а, координационное число К= 8, базис решетки равен 2; 8 атомов расположены в углах куба, 1 атом в центре куба принадлежит только одной ячейке). Данный тип решетки имеют металлы К, Na, Li, Та, W, Mo, Fea, Cr, Nb и др.
13
Тема 1.1.1. Типы кристаллических решеток

В гранецентрированной кубической решетке (рис. 1.4, б) атомы расположены в углах куба и центрах его граней. Эта решетка характеризуется периодом а,
координационном числом К= 12, базисом, равным 4: (1/8) • 8 + ; • 6 = 4; 8 атомов в углах куба и 6 атомов в центрах граней, каждый из которых принадлежит двум элементарным ячейкам. Кубическую гранецентрированную решетку имеют следующие металлы: Са, Pb, Ni, Ag, Au, Pt, FeY и др.
В гексагональной плотноупакованной решетке (рис. 1.4,в) атомы расположены в вершинах и центрах шестигранных оснований призмы, кроме того, три атома находятся в средней плоскости призмы. Периоды решетки —а и с, причемс/а > 1 (например,с/а = 1,633 для Ru, Cd ис/а > 1,633 для Mg, Zn), координационное числоК= 12, базис решетки равен 6.

               











14
Тема 1.1.1. Механические методы испытаний

Механические методы испытаний

Механические свойства металлов (прочность, упругость, пластичность, вязкость), как и другие свойства, являются исходными данными при проектировании и создании различных машин, механизмов и сооружений.
Методы определения механических свойств металлов делятся на следующие группы:
; статические, когда нагрузка возрастает медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
; динамические, когда нагрузка возрастает с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
; циклические, когда нагрузка многократно изменяется (испытание на усталость);
; технологические — для оценки поведения металла при обработке давлением (испытания на изгиб, перегиб, выдавливание).






 


15
Тема 1.3. Диаграмма состояния металлов и сплавов

 



Металлическим сплавом называется материал, полученный сплавлением двух или более металлов или металлов с неметаллами, обладающий металлическими свойствами. Вещества, которые образуют сплав, называются компонентами.
Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенными составом и строением иотделенную от других частей сплава поверхностью раздела.
Под структурой понимают форму размер и характер взаимного распо¬ложения фаз в металлах и сплавах.
Структурными составляющими называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строе¬ние с присущими им характерными особенностями.
Диаграмма состояния. Диаграмма состояния показывает строе¬ние сплава в зависимости от соотношения компонентов и от темпера¬туры. Она строится экспериментально по кривым охлаждения спла¬вов (рис. 1.6). В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются не при постоянной температуре, а в интервале температур. Поэтому на кривых охлаждения сплавов имеется две критические точки. В верхней критической точке, называемой точкой ликвидус  , начина¬ется кристаллизация.
В нижней критической точке, которая называ¬ется точкой солидус  , кристаллизация завершается. Кривая охлаж¬дения механической смеси (рис. 1.6,а) отличается от кривой охлаждения твердого раствора (рис. 1.6,б) наличием
16
Тема 1.3. Диаграмма состояния металлов и сплавов

горизонтального участка. На этом участке происходит кристаллизация эвтектики. Эвтектикой на¬зывают механическую смесь двух фаз, одновременно кристаллизовав-шихся из жидкого сплава. Эвтектика имеет определенный химичес¬кий состав и образуется при постоянной температуре.
В получившихся на диаграмме областях записывают фазы или структурные составляющие. Линия диаграммы состояния, на ко¬торой при охлаждении начинается кристаллизация сплава, называется линией ликвидус, а линия, на которой кристаллизация завершается — линией солидус.

 
Поэтому в этом спла¬ве возможно образование трех фаз: жидкого сплава Ж, кристаллов А и кристаллов В. Линия АСВ диаграммы является линией ликвидус: на участке АС при охлаждении начинается кристаллизация компонента А, а на участке CD — компонента В. Линия ОС является линией солидус, на ней завершается кристаллизация А или В и при постоян¬ной температуре происходит кристаллизация эвтектики Э.




17
1.3.1. Понятие о сплавах. Фазы в металлических сплавах

 



Основные понятия и определения теории сплавов.
Сплавом называют материал, образующийся в результате затвердевания расплавов, состоящих из двух или нескольких компонентов.
Компонентами называют химические элементы или их соединения, образующие сплав. Чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов - двухкомпонентную систему и т. д. Так, для цветных металлических сплавов компонентами могут быть металлы (например, медь с цинком образует латунь), а для железоуглеродистых - металлы с небольшим содержанием неметаллов (железо с углеродом - чугун, сталь).
Сплавы могут быть получены сплавлением исходных компонентов, их спеканием, электролизом, возгонкой и другими способами. При этом свойства полученного сплава в значительной мере будут зависеть от его структуры.
Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются. Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, называют системой.
Фазы в металлических сплавах.
Сплавы в зависимости от взаимодействия компонентов подразделяются на:

18
1.3.1.Понятие о сплавах. Фазы в металлических сплавах

; смеси зерен с ограниченной растворимостью, т.е. механические смеси;
; растворы с неограниченной растворимостью компонентов, т.е. твердые растворы;
; химические соединения компонентов.
Твердый раствор – фаза, к которой один из компонентов сплава (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой (другие) компонент располагается в решетке растворителя, изменяя ее размеры. Различают следующие виды твердых растворов – твердый раствор замещения и твердый раствор внедрения.
 

 


19
1.3.2. Диаграмма состояния железо-углерод. Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии

 

Диаграмма состояния железо-углерод
Трудно представить современное строительство, технику, машиностроение и другие важнейшие отрасли без применения главных металлических сплавов из стали и чугуна. Их производство превышает все остальные в десятки раз.
 Если рассмотреть сталь и чугун с точки зрения такой науки, как металловедение, то центральной фигурой предстает диаграмма состояния сплавов железо-углерод, которая позволяет получить подробные представления о составе и структурных превращениях в этих материалах. А также познакомиться с их фазовым составом.
История открытия
Впервые на то, что в сплавах (сталях и чугунах) есть определенные (особые) точки, указал великий металлург и изобретатель - Дмитрий Константинович Чернов (1868 год). Именно он сделал важное открытие о полиморфных превращениях и является одним из создателей диаграммы состояния железо-углерод. По мнению Чернова, положение этих точек на диаграмме имеет прямую зависимость от процентного содержания углерода.



20
1.3.2. Диаграмма состояния железо-углерод. Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии
 
Понятие диаграммы
 Графическое изображение процессов, происходящих в сплаве при изменении температурного режима, концентрации веществ, давления, называется диаграммой состояния. Она позволяет объемно и наглядно увидеть все превращения, происходящие в сплавах.



21
1.3.2. Диаграмма состояния железо-углерод. Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии

В результате взаимодействия составляющих диаграммы друг с другом, получается цементит – химическое соединение.
Как правило, при изучении диаграммы студентами-металловедами, все устойчивые соединения рассматриваются как компоненты, а само графическое изображение исследуется по частям.
Также на занятиях строят кривую охлаждения по диаграмме железо-углерод: выбирается процент углерода, а затем необходимо определить, какая фаза соответствует какой температуре на диаграмме.
Для этого необходимо кроме самой диаграммы начертить систему координат (температура-время). И начиная с максимальных градусов, двигаться постепенно вниз, изображая кривую и участки перехода одной фазы в другую. При этом необходимо называть их и указывать тип кристаллической решетки.
Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии.
Свойства сплава в значительной степени определяются фазовым составом, о котором можно судить по диаграмме состояния. Впервые на связь между видом диаграммы и свойствами указал Н. С. Курнаков.
Для систем, образующих непрерывные твердые растворы, зависимость свойств от состава фаз изображается кривыми линиями, а для двухфазных смесей - прямыми линиями (рис. 1.8). Эти закономерности указывают на то, что у твердых растворов такие свойства, как твердость  удельное электрическое сопротивление коэрцитивная сила  и другие, всегда превосходят аналогичные свойства исходных компонентов.

22
1.3.2. Диаграмма состояния железо-углерод. Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии
Упрочнение при сохранении пластичности твердых растворов используют на практике. Так, при растворении в железе кремния или марганца (в количестве 2%) прочность увеличивается в 2 раза, а пластичность снижается всего на 10%.
Растворение алюминия (в количестве 5%) в меди повышает прочность сплава в 2 раза, а пластичность остается на уровне пластичности меди. Твердые растворы обладают и другими уникальными физическими и химическими свойствами.
 
При растворении   (в количестве 30%) в железе теряются ферромагнитные свойства при температурах 20-25 °С; раствор, содержащий более   делает железо коррозионно-стойким. В связи с этим твердые растворы получили широкое применение
23
1.3.2. Диаграмма состояния железо-углерод. Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии

не только как конструкционные материалы, но и как материалы с особыми физическими свойствами.
Большой практический интерес представляют технологические свойства твердых растворов.
Сплавы в состоянии твердых растворов хорошо обрабатываются давлением и трудно - резанием. Литейные свойства твердых растворов, как правило, неудовлетворительные. Наилучшей жидкотекучестью обладают эвтектические сплавы (см. рис. 1.8).
Промежуточные фазы в большинстве случаев обладают высокими твердостью, температурой плавления и хрупкостью (карбиды, нитриды, бориды, оксиды и др.).
Закономерности, отмеченные Н. С. Курнаковым, являются основой при разработке составов сплавов с заданными свойствами. Однако эти закономерности относятся к сплавам в равновесном состоянии, поэтому применение их ограничено.
 






24
Тема 1.4. Формирование структуры деформированных металлов и сплавов

 
 
При конструировании изделий в первую очередь руководствуются механическими свойствами материалов. Механические свойства материалов характеризуют их способность сопротивляться деформированию и разрушению под воздействием различного рода нагрузок. Механические нагрузки могут быть статическими, динамическими и циклическими. Кроме того, материалы могут подвергаться деформации и разрушению как при разных температурах, так и в различных, в том числе агрессивных средах.
Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений. Деформация, возникающая при сравнительно небольших напряжениях и исчезающая после снятия нагрузки, называется упругой, а сохраняющаяся - остаточной, или пластической. При увеличении напряжений деформация может заканчиваться разрушением.
При упругой деформации происходит обратимое смеще-ние атомов из положений равновесия в кристаллической решет-ке. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных из-менений в структуре и свойствах металла. После снятия нагруз-ки сместившиеся атомы под действием сил притяжения (при растяжении) или отталкивания (при сжатии) возвращаются в исходное равновесное положение, и кристаллы приобретают первоначальную форму и размеры. Упругие свойства материалов определяются силами межатомного взаимодействия.

25
Тема 1.4. Формирование структуры деформированных металлов и сплавов
В основе пластической деформации лежит необратимое перемещение одних частей кристалла относительно других. После снятия нагрузки исчезает лишь упругая составляющая
де-формаций. Пластичность, т. е. способность металлов перед раз-рушением претерпевать значительную пластическую дефор-мацию, является одним из важнейших свойств металлов. Благодаря пластичности осуществляется обработка металлов давлением. Пластичность позволяет перераспределять локальные напряжения равномерно по всему объему металла, что уменьшает опасность разрушения.
Процесс пластической деформации обычно представляет собой процесс скольжения одной части кристалла относительно другой по кристаллографической плоскости или плоскостям скольжения с более плотной упаковкой атомов, где наименьшее сопротивление сдвигу. Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. В результате скольжения кристаллическое строение перемещающихся частей не меняется (рис. 1.9.).
 



26
Тема 1.4. Формирование структуры деформированных металлов и сплавов

 
При деформировании поликристаллов отсутствует стадия легкого скольжения, деформация зерен начинается сразу по нес-кольким системам скольжения и сопровождается изгибами и по-воротами плоскостей скольжения. Пока общая деформация мала (порядка 1 %) зерна деформируются неоднородно в силу их разной ориентации по отношению к приложенным нагрузкам.
При возврате может идти процесс полигонизации. При этом в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы. Полигонизация протекает не только при возврате. Она наблюдается также при температуре, значительно превышающей температуру рекристаллизации. Границы возникают путем скольжения и переползания дислокаций (рис. 1.11.). В результате кристалл разделяется на субзерна-полигоны, свободные от дислокаций, а дислокации скапливаются на
27
Тема 1.4. Формирование структуры деформированных металлов и сплавов

границах полигонов, образуя стенки. Два полигона, разделенные стенкой (малоугловой границей), состоящей из нескольких краевых дислокацией, схематично показаны на рис. 1.12. Процесс полигонизации происходит после небольших деформаций при нагреве до (0,2-0,3) Тплав.

 







28
Тема 1.4. Формирование структуры деформированных металлов и сплавов

 

Для некоторых металлов (алюминия, титана, молибдена, вольфрама) в процессе полигонизации происходит заметное понижение прочности и повышение пластичности. Полигонизация холоднодеформированного металла обычно приводит к уменьшению твердости и прочности.
В алюминии, молибдене и вольфраме полигонизация протекает с большой скоростью, и субзерна достигают значительных размеров, что вызывает сильное разупрочнение. Некоторые физические свойства (например, электросопротивление) в процессе возврата восстанавливаются практически полностью. Это связано с уменьшением концентрации вакансий и с перераспределением дислокаций.
При последующем нагреве происходит изменение микро-структуры наклепанного металла. С ростом темпе-ратуры подвижность атомов растет, и образуются новые зерна вместо ориентированной волокнистой структуры. Образование новых равноосных зерен называется рекристаллизацией.
29
Тема 1.4. Формирование структуры деформированных металлов и сплавов

Процесс рекристаллизации протекает в две стадии. Различают первичную, или рекристаллизацию обработки, и собирательную рекристаллизацию.Рекристаллизацией обра-ботки, или первичной рекристаллизацией, называют процесс образования новых равноосных зерен. Новые зерна возникают на границах блоков и старых зерен, т.е. там, где решетка наиболее искажена при наклепе. В результате первичной рекристаллизации наклеп металла снимается, и свойства приближаются к исходным значениям. Плотность дислокаций также уменьшается до первоначального уровня.

 


30
Тема 1.5. Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов

 


Химико – термическая обработка – технологический процесс, сочетающий термическое воздействие с изменением химического состава поверхностного слоя детали. Технология ХТО состоит в нагреве деталей в специальных активных атмосферах (твердых, жидких, газообразных), т.е. в атмосферах с повышенной концентрацией элемента, изменяющего химический состав поверхностного (приповерхностного) слоя.
Существуют две разновидности ХТО:
1. Диффузионное насыщение сталей и сплавов элементами-металлоидами с меньшим размером атома, чем металл-основа (железо, титан и др.): углеродом, азотом, бором. При этом слой, обогащенный данными элементами, располагается в глубь от поверхности («внутри сплава») (рис. 2.32).
2. Диффузионное насыщение сталей и сплавов металлами: алитирование (Al), хромирование (Cr), цинкование (Zn) и другими элементами. При этом слой, обогащенный данными элементами, располагается на поверхности, образуя покрытие, и частично проникает внутрь металла (рис.1.14).






31
Тема 1.5. Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов

 
Основными видами термической обработки стали являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск.
Отжиг применяетсядля снижения твердости, измельчения зерна, улучшения обрабатываемости, снятия напряжений. Для отжига сталь нагревают до определенной температуры, выдерживают и охлаждают с малой скоростью в печи с отключением источника тепла.
Нормализация – представляет нагрев стали до температуры выше критической точки, выдержке при этой температуре, охлаждении на спокойном воздухе со скоростью, большей, чем при отжиге. Назначение – придание стали мелкозернистой структуры. Нормализация дает более заметное повышение прочности, но меньшую пластичность. Преимущество перед отжигом – более низкая стоимость.


32
Тема 1.5. Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов

Закалка – заключается в нагреве стали, выдержке при данной температуре в течение определенного времени и последующем резком охлаждении. Цель – повышение твердости и прочности. При закалке возникают внутренние напряжения в материале, резко снижается пластичность и ударная вязкость. Это может привести к хрупкому разрушению детали при эксплуатации.
Цементации подвергают низкоуглеродистые и легированные стали, содержащие от 0,1 до 0,35% углерода. Поверхностный слой стали после цементации имеет переменную концентрацию углеро¬да по толщине, убывающую от поверхности к сердцевине детали. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементо¬ванного слоя можно различить (начиная от поверхности) три зоны: заэвтектоидную, эвтектоидную, доэвтектоидную. Общая толщина цементованного слоя составляет 0,8...3,0 мм.
После цементации для получения необходимых свойств прово¬дят термическую обработку – закалку с низким отпуском. В резуль¬тате термической обработки поверхностный слой приобретает из¬носостойкую структуру, а низ¬коуглеродистая сердцевина детали оказывается достаточно вязкой. Чаще всего цементации подвергают шестерни различных механизмов с целью повышения их долговечности.
Азотирование заключается в диффузионном насыщении по¬верхностного слоя азотом в соответствующей среде. Перед азоти¬рованием стали подвергают термической обработке – закалке и вы¬сокому отпуску.
Азотированию подвергаются легированные стали, содержащие хром, молибден, ванадий и другие элементы, способные образо¬вывать с азотом очень твердые и термостойкие нитриды. Азотиро¬вание проводят при

33
 Тема 1.5. Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов

температуре 500...600°С. Основная реакция, происходящая на поверхности детали – реакция диссоциации ам¬миака.
После азотирования сталь приобретает высокую твердость, из¬носостойкость и коррозионную стойкость. По этим свойствам азо¬тированные стали превосходят цементованные. Однако азотиро¬ванный слой хуже противостоит ударным нагрузкам и имеет более низкую контактную выносливость. Из-за большой длительности процесса (до 70 ч) применение азотирования экономически целе¬сообразно для обработки ответственных изделий, например колен¬чатых валов автомобилей, гильз цилиндров двигателей внутрен¬него сгорания, различных деталей арматуры и др.
Хромирование  заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали хромом при температуре 900...1300°С в соответствующей среде. Хромирование обеспечивает повышен¬ную жаростойкость стали до температуры 800 °С, высокие корро¬зионную и эрозионную стойкость. Хромированию подвергаются детали паросиловых установок, паропроводной арматуры, венти¬ли, клапаны, патрубки. Для увеличения сопротивляемости корро¬зии хромированию подвергают трансформаторную сталь. При этом сталь дополнительно приобретает высокую жаропрочность.


 

34
1.5.1. Определение и классификация видов термической обработки

 


;Первая группа.
Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, который в результате какой-то предшествующей обработки получил неустойчивое состояние, и приводящая его и более устойчивое со¬стояние, называется отжигом.
Существуют два вида отжига. Если сплав не имеет фазовых пре¬вращений, то любой нагрев сплава с неравновесной структурой приводит сплав в более равновесное состояние. Такой отжиг назы¬вается отжигом первого рода. Если у сплава есть фазовое превра¬щение, то нагрев сплава с неравновесной структурой (но не обусло¬вленной закалкой) выше температуры фазовых превращений с после-дующим медленным охлаждением приводит сплав в более равновесное состояние. Такая обработка тоже относится к отжигу, но классифицируется как отжиг второго рода или фазовая пере¬кристаллизация.
;Вторая группа. Если в сплаве при нагреве происходят фазовые изменения, то полнота обратного (при охлаждении) пре¬вращения зависит от скорости охлаждения. Теоретически можно себе представить такие условия охлаждения, при которых обратное превращение вовсе не произойдет, и при комнатной температуре в результате быстрого охлаждения зафиксируется состояние сплава, характерное для высоких температур. Такая операция называется закалкой.
Закалка бывает объемной (под закалку нагревают насквозь все изделие) и поверхностной (осуществляют местный, чаще поверхно¬стный) нагрев.
;Третья группа. Нагрев закаленного сплава, но ниже температуры равновесных фазовых превращений, называется
35
1.5.1. Определение и классификация видов термической обработки

отпуском. И при отжиге первого рода, как и при отпуске, сплав приближается к структурному равновесию. В обоих случаях начальную стадию характеризует неустойчивое состояние, только для отжига первого рода оно было результатом предварительной обработки, при которой, однако, не было фазовых превращений, а для отпуска — предшествовавшей закалкой. Таким образом, отпуск — вторичная операция, осуществляемая всегда после за¬калки. Отпуск иногда называют старением.
Отжиг — термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.
Закалка — термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым ох¬лаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.
Отпуск — термическая операция, состоящая в нагреве зака¬ленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.
Кроме этих основных видов термической обработки, имеются еще два принципиально отличных способа, представляющих сочетание термической обработки с металлургией или механической техноло¬гией.
Химико-термическая обработка — нагрев сплава в соответству¬ющих химических реагентах для изменения состава и структуры по¬верхностных слоев.
Деформационно-термическая обработка — деформация и термическая обработка, сохраняющая в той или иной форме результаты наклепа.
Превращения в стали:
I. Превращение перлита в аустенит, протекающее выше температуры стабильного равновесия аустенит—перлит (Ас1).
II. Превращение аустенита в перлит, протекающее
 36
1.5.1. Определение и классификация видов термической обработки
ниже А1.
III. Превращение аустенита в мартенсит.
IV. Превращение мартенсита в перлит.
Диаграмма, на которой показано время превращения аустенита в перлит в зависимости от степени переохлаждения, т. е. превращение пере¬охлажденного аустенита при постоянной температуре, называют диаграммой изотермического превращения аустенита. Кривые на диаграмме изотермического превращения аустенита имеют вид буквы С,
поэтому их часто назы¬вают С- образными или просто С - кривыми.
При высоких температурах, т. е. при малых степенях переохла¬ждения, получается достаточно грубая смесь феррита и цементита - пер¬лит. При более низких температурах и, следовательно, при больших степенях переохлаждения дисперсность структур возрастает, и твер¬дость продуктов повышается. Такая структура называется сорбитом.
При еще более низкой температуре (что соответствует изгибу С-кривой) дисперсность продуктов еще более возрастает, и дифференци¬ровать под оптическим микроскопом отдельные составляющие феррито-цементитной смеси становится почти невозможно, но при на¬блюдении под электронным микроскопом пластинчатое строение об-наруживается вполне четко. Такая структура называ-ется трооститом.
Образующаяся ниже изгиба С-кривой игольчатая структура получила название бейнит. Превращение аустенита в бейнит имеет общие черты с перлитным и мартенситным превращениями.
Под мартенситным превращением понимается особый вид фазового превращения в твер¬дом теле, протекающего по бездиффузионному, сдвиговому механизму,

37
1.5.1. Определение и классификация видов термической обработки

называемому мартенситным, а под мартенситом — продукт такого превращения.
Бейнитное превращение (названное так по имени ученого Э. Бейна) переохлажденного аустенита происходит в интервале температур ниже перлитного и выше мартенситного интервала превращений, поэтому его иногда называют промежуточным.























38
1.5.2. Сущность и виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск

 
 

Для придания стальным заготовкам особых свойств выполняют термическую обработку. Технология зависит от конечных параметров и свойств металла, его качества. На выбор вида термической обработки влияет марка стали, требуемые эксплуатационные характеристики конечного изделия.
Виды отжигов
Суть процесса заключается в нагреве металлического изделия и последующего медленного охлаждения. В результате этого улучшается показатель вязкости, достигается химическая и структурная однородность. Термическая обработка методом отжига негативно влияет на жесткость стали.
 Диффузионный
Цель обработки – уменьшение химической неоднородности состава. Сначала сталь нагревают до температуры +1150°С и в таком состоянии заготовка остается 10-15 часов. Затем выполняют медленное (естественное) охлаждение.
 Полный 
Она выполняется для штамповочных изделий или заготовок, сделанных методом литья или ковки. Цель – формирование мелкозернистой структуры. Сталь нагревается до температуры, превышающей значение критической верхней точки на +50°С. Затем происходит медленное охлаждение со скоростью не более 75°С (для легированных сортов) или +200°С (для углеродистых марок) в час.

39 
1.5.2. Сущность и виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск

Неполный отжиг 
Термическая обработка применяется для уменьшения показателя жесткости и снятия напряжения структуры. Технология аналогична вышеописанной, за исключением значения максимальной температуры. Она не должна превышать +750°С. 
Изотермический. 
Он актуален только для легированных сортов стали. Температура воздействия выше критической точки на 20-30%. Отличия от полного отжига – быстрое охлаждение до +600°С. Методика применяется для оперативной обработки стальных заготовок.
Для выполнения этих процедур необходимо специальное оборудование. Качество обработки зависит от выполняемых требований. В случае несоблюдения технологии велика вероятность появления дефектов – пережог.
Закалка
 Методика актуальна для создания неравномерной структуры стали заготовки. Это увеличивает твердость, но также повышает хрупкость конструкции. Выбор температуры воздействия зависит от химического состава. Также важными являются скорость охлаждения и периодичность повторения процедуры.
При выборе технологии закаливания учитывают следующие факторы: 
Температура обработки. 
Если она не превышает критическое значение – закалка относится к категории неполной. Для обработки всей структуры заготовки термическое воздействие должно быть выше точки Асз на 30-40°.
 Охлаждение.

40
1.5.2. Сущность и виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск

 Оно может выполняться быстро или медленно. В первом случае твердость неравномерная, ближе к поверхности. При медленном охлаждении напряжение структуры выравнивается. 
Выбор среды для закалки.
 Чаще всего используют соляную ванную или масло с добавлением специальных веществ.
 Периодичность. 
Она влияет на распределение жесткости в структуре стали.
Отпуск
Для нормализации характеристик стальных заготовок после закалки рекомендуется делать ее отпуск. Его суть заключается в термическом воздействии температурами, при которых не происходит фазового превращения. Итогом этой операции будет однородность структуры стали.
Виды отпуска для металлических заготовок:
Низкий
Применяется для углеродистых сортов стали. Максимальная температура воздействия — +200°С. В результате уменьшается показатель хрупкости и снижается натяжение в структуре. 
Средний
Термическая обработка происходит при +400°С. Технология необходима для удаления избыточного углерода. При этом кристаллическая решетка становится кубической. 
Высокий
Температура обработки – до +650°С. Применяется для появления оптимальных характеристик прочности, вязкости и пластичности.
 Определяющим показателем для этого процесса является отпускная хрупкость. Она указывает на степень падения ударной вязкости при резких перепадах температур.

41
1.5.2. Сущность и виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск
Нормализация металлических заготовок
 Технология схожа с отжигом стали. Разница заключается в способе охлаждения заготовки. Это происходит не в печи, как в первом случае, а на воздухе. В результате происходит нормализация структуры кристаллической решетки, повышаются показатели прочности и вязкости.
При выполнении этого процесса учитывают такие показатели:
Выдержка
  Она характеризует степень равномерного термического воздействия на все слои стальной заготовки.
Скорость охлаждения
  Влияет на толщины перлитных пластин.
Поэтапное охлаждение
 В некоторых случаях после достижения определенного уровня снижения температуры деталь помещают в масло для оперативного охлаждения.
Для появления нужных свойств стальной заготовки могут выполняться несколько типов термической обработки.












42
1.5.3.Определение и классификация видов химико-термической обработки. Сущность процесса химико-термической обработки.

 



Химико-термическая обработка (ХТО)– процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.
Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев.
В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура,
Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.
В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.
Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.
Адсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.
Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.
Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.
Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с
43
1.5.3.Определение и классификация видов химико-термической обработки. Сущность процесса химико-термической обработки.

основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.
Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.
Основными разновидностями химико-термической обработки являются:
• цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);
• азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);
• нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);
• диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).
Термическую обработку, при которой изменяется не только структура, но и химический состав поверхностных слоев металла, называют химико-термической обработкой.
Сущность химико-термической обработки стали состоит в искусственном изменении химического состава ее поверхностных слоев. Цель такой обработки - получение высокой поверхностной твердости и износостойкости стальных деталей.
Химический состав поверхностных слоев стали изменяется благодаря проникновению в них различных элементов. Изменение химического состава вызывает изменение структуры и свойств поверхностного слоя.
Химико-термическая обработка осуществляется помещением стали в среду, в которой происходит насыщение ее поверхностного слоя. Химико-термическая обработка стали складывается из трех этапов: диссоциации, адсорбции и диффузии.
44
Тема 2.1. Конструкционные материалы


 


Все конструкционные материалы можно условно разделить на однородные и композиционные, металлические и неметаллические (Рисунок 2.1).

 
Конструкционные материалы — материалы, из которых изготавливаются различные конструкции, детали машин, элементы сооружений, воспринимающих силовую нагрузку.
Определяющими параметрами таких материалов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.).


45
Тема 2.1. Конструкционные материалы

Классификация
Конструкционные материалы можно условно разделить на ряд групп.
;По природе материалов:
;металлические;
;неметаллические;
;композиционные материалы.
;по технологическому исполнению:
;деформированные;
;литые;
;спекаемые;
;формуемые;
;склеиваемые;
;свариваемые.
Надежность - свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает вне-запный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно считается наиболее опасным из-за протекания с большой скоростью при напряжениях ниже расчетных, а также возможных аварийных последствий.
Долговечность - свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени. Причины потери работоспособности разнообразны: развитие процессов усталости, изнаши¬вания, ползучести, коррозии, радиацион¬ного разбухания и пр.
Циклическая долговечность характе¬ризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющих¬ся циклов напряжений. Цикл напряже¬ния - совокупность изменения напряже¬ния между двумя его предельными значениями ;max и ;min в течение перио¬да Т.
Износостойкость - свойство материа¬ла оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию.
46
Тема 2.1. Конструкционные материалы

Изнашивание - процесс постепенного разрушения поверхностных слоев мате¬риала путем отделения его частиц под влиянием сил трения.
Постоянные примеси в стали: марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород.
Марганец - полезная примесь; вводится в сталь для раскисления и остается в ней в количестве 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.
Кремний - полезная примесь; вводится в сталь в качестве активного раскислителя и остается в ней в количестве до 0,4%, оказывая упрочняющее действие.
Сера - вредная примесь, вызывающая красноломкость стали - хрупкость при горя¬чей обработке давлением. В стали она нахо¬дится в виде сульфидов.



















47
2.1.1.Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

 


Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того, чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, кон¬струкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность.
Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длитель¬ную работу материала в условиях экс¬плуатации.
Механические свойства, определяю¬щие конструкционную прочность и вы¬бор конструкционного материала, рас¬смотрены ниже. Требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия за-висят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры.
Среда - жидкая, газообразная, ионизи¬рованная, радиационная, в которой ра¬ботает материал, оказывает существен¬ное и преимущественно отрицательное влияние на его механические свойству, снижая работоспособность деталей.
В частности, рабочая среда может вы¬зывать повреждение поверхности вслед¬ствие коррозионного растрескивания, окисления и образования окалины, из¬менение химического состава поверх¬ностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами. Кроме того, возможны разбухание и местное разрушение материала в ре¬зультате ионизационного и радиацион¬ного облучения. Для

48
2.1.1.Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам

того чтобы проти¬востоять рабочей среде, материал дол¬жен обладать не только механическими, но и определенными физико-химически¬ми свойствами: стойкостью к электро-химической коррозии, жаростойкостью, радиационной стойкостью, влагостойкостью, способ¬ностью работать в условиях вакуума и др.
В некоторых случаях важно так¬же требование определенных маг¬нитных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильности разме¬ров деталей (особенно высокоточных деталей приборов).
Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характери¬зуют возможные методы его обработки. Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, склонностью к деформа¬ции и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей.









49
2.1.2. Методы повышения конструктивной прочности материалов


 



Основным методом является увеличение плотности дислокаций и создание дислокационных барьеров в виде мелких зерен. Измельчение зерна, которое описывается уравнением Холла-Петча:
;Т = ;0 + к /  ,
;0 – напряжение, необходимое для движения свободной дислокации, к - коэффициент, характеризующий прочность блокирования дислокаций, d – диаметр зерна.
Сильное торможение дислокаций создают дисперсные частицы вторичной фазы. Такой фактор упрочнения характерен для сплавов, подвергнутых закалке и старению.
Высокая конструктивная прочность стали достигается путем рационального выбора химического состава, режимов термической обработки, методов поверхностного упрочнения, улучшением метал¬лургического качества.
Сопротивление усталости, износу и некоторые другие харак¬теристики долговечности зависят от свойств поверхностного слоя изделия. Для получения требуемых свойств конструкционную сталь подвергают химико-термической обработке (цементации, азотированию и др.) и поверхностной пластической деформации (обдувка дро¬бью, обкатка роликами), которые приводят к поверхностному упроч-нению и созданию на поверхности остаточных сжимающих напряже¬ний, затрудняющих возникновение и развитие трещин.

50
2.1.2. Методы повышения конструктивной прочности материалов

Большое влияние на конструктивную прочность стали оказыва¬ют легирующие элементы. Повышение конструктивной прочности при легировании связано с обеспечением высокой прокаливаемости, уменьшением критической скорости закалки, измельчением зерна, упрочнением феррита и другими факторами. Одним из наиболее важ¬ных факторов является повышение прокаливаемости.
Применение упрочняющей термической обработки - закалки на мартенсит и последующего отпуска - позволяет улучшить комплекс механических свойств конструкционных сталей. Для низкоуглеродистых легированных сталей типичным режимом термической обработки является закалка и низкотемпературный отпуск (структура отпущен¬ного мартенсита). Для среднеуглеродистых конструкционных сталей такой отпуск недостаточен, так как в мартенсите после закалки много углерода и после низкого отпуска при высокой прочности стали очень склонны к хрупкому разрушению. Для таких сталей типичным является высокий отпуск (структура-сорбит отпуска), т.е. для них основной термической обработкой является термическое улучшение.
Заметно влияет на конструктивную прочность металлургиче¬ское качество стали. Чистая сталь при одних и тех же значениях проч¬ностных свойств имеет повышенные характеристики надежности, в частности более низкий порог хладноломкости.







51
2.1.3. Углеродистые и легированные стали. Классификация. Маркировка


 



Стали классифицируются по множеству признаков.
1. По химическому: составу: углеродистые и легированные.
2. По содержанию углерода:
;низкоуглеродистые, с содержанием углерода до 0,25 %;
;среднеуглеродистые, с содержанием углерода 0,3…0,6 %;
;высокоуглеродистые, с содержанием углерода выше 0,7 %
3. По равновесной структуре: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.
4. По способу выплавки:
;в мартеновских печах;
;в кислородных конверторах;
;в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.
5. По назначению:
;конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов;
;инструментальные – применяются для изготовления различных инструментов;
;специальные – стали с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др.
Маркировка сталей
Углеродистые стали обыкновенного качества 
Стали содержат повышенное количество серы и фосфора
Маркируются Ст.2кп., БСт.3кп, ВСт.3пс, ВСт.4сп.
Ст – индекс данной группы стали. Цифры от 0 до 6 – это
52
2.1.3. Углеродистые и легированные стали. Классификация. Маркировка

условный номер марки стали. С увеличением номера марки возрастает прочность и снижается пластичность стали. По гарантиям при поставке существует три группы сталей: А, Б и В. Для сталей группы А при поставке гарантируются механические свойства, в обозначении индекс группы А не указывается. Для сталей группы Б гарантируется химический состав. Для сталей группы В при поставке гарантируются и механические свойства, и химический состав.
Индексы кп, пс, сп указывают степень раскисленности стали: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная.
Качественные углеродистые стали
Качественные стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В). Степень раскисленности, в основном, спокойная.
Конструкционные качественные углеродистые стали Маркируются двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной.
Сталь 08 кп, сталь 10 пс, сталь 45.
Содержание углерода, соответственно, 0,08 %, 0,10 %, 0.45 %.
Инструментальные качественные углеродистые стали маркируются буквой «У» (углеродистая инструментальная сталь) и числом, указывающим содержание углерода в десятых долях процента.
Достоинства легированных сталей:
особенности обнаруживаются в термически обработанном состоянии, поэтому изготовляются детали, подвергаемые термической обработке;
улучшенные легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям;
легирующие элементы стабилизируют аустенит, поэтому
53
2.1.3. Углеродистые и легированные стали. Классификация. Маркировка

прокаливаемость легированных сталей выше;
возможно использование более «мягких» охладителей (снижается брак по закалочным трещинам и короблению), так как тормозится распад аустенита;
повышаются запас вязкости и сопротивление хладоломкости, что приводит к повышению надежности деталей машин.
Недостатки:
подвержены обратимой отпускной хрупкости II рода;
в высоколегированных сталях после закалки остается аустенит остаточный, который снижает твердость и сопротивляемость усталости, поэтому требуется дополнительная обработка;
;склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала. Дендриты обедняются, а границы – междендритный материал – обогащаются легирующим элементом. Образуется строчечная структура после ковки и прокатки, неоднородность свойств вдоль и поперек деформирования, поэтому необходим диффузионный отжиг.
;склонны к образованию флокенов.
Флокены – светлые пятна в изломе в поперечном сечении – мелкие трещины с различной ориентацией. Причина их появления – выделение водорода, растворенного в стали. При быстром охлаждении от 200o водород остается в стали, выделяясь из твердого раствора, вызывает большое внутреннее давление, приводящее к образованию флокенов. Меры борьбы: уменьшение содержания водорода при выплавке и снижение скорости охлаждения в интервале флокенообразования.
Классификация легированных сталей
Стали классифицируются по нескольким признакам.
1. По структуре после охлаждения на воздухе выделяются три основных класса сталей:
54
2.1.3. Углеродистые и легированные стали. Классификация. Маркировка

;перлитный;
;мартенситный;
;аустенитный
Стали перлитного класса характеризуются малым содержанием легирующих элементов; мартенситного – более значительным содержанием; аустенитного – высоким содержанием легирующих элементов.
2. По степени легирования (по содержанию легирующих элементов):
;низколегированные – 2,5…5 %;
;среднелегированные – до 10 %;
;высоколегированные – более 10%.
3. По числу легирующих элементов:
трехкомпонентные (железо, углерод, легирующий элемент);
четырехкомпонентные (железо, углерод, два легирующих элемента) и так далее.
4. По составу:
никелевые, хпомистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и так далее (признак– наличие тех или иных легирующих элементов).
5. По назначению:
;конструкционные;
;инструментальные (режущие, мерительные, штамповые);
;стали и сплавы с особыми свойствами (резко выраженные свойства –нержавеющие, жаропрочные и термоустойчивые, износоустойчивые, с особыми магнитными и электрическими свойствами).






55
Тема 2.2. Материалы с особыми технологическими свойствами

 


Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность поддаваться различным методам горячей и холодной обработки для получения определённой формы, размеров и свойств.
К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся литейные свойства, ковкость, свариваемость, обрабатываемость режущими инструментами, прокаливаемость.
Обрабатываемостью резанием называется способность металлов подвергаться обработке режущими инструментами для придания деталям определённой формы, размеров ( с необходимой точностью) и чистоты поверхности. Обрабатываемость резанием определяется по скорости резания, усилию резания и по чистоте обрабатываемой поверхности. При разных методах обработки ( точении, сверлении, фрезеровании, шлифовании…) обрабатываемость одно и того же металла может быть различной.
Обрабатываемость сталей зависит от их структуры и химического состава. Крупнозернистая сталь из-за пониженной вязкости лучше обрабатывается резанием, чем мелкозернистая. Обрабатываемость углеродистых сталей ухудшается с увеличением содержания в них углерода.
Для улучшения обрабатываемости сталей в них допускается повышенное содержание серы, а также вводится свинец, селен, другие элементы.
Свариваемостью называется свойство металла или

56
Тема 2.2. Материалы с особыми технологическими свойствами

сплава образовывать при установленной технологии сварки соединения, отвечающие требованиям, обусловленным
конструкцией и эксплуатацией изделия.
Свариваемость углеродистых сталей ухудшается с повышением в них содержания углерода. Хорошей свариваемостью обладают низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали.
Ковкостью называется способность металла без разрушения поддаваться обработке давлением ( ковке, штамповке, прокатке,….). Ковкость металла зависит от его пластичности. Чем металл более пластичен, тем лучше он поддаётся обработке давлением.
Металлы обладают ковкостью как в холодном, так и в нагретом состоянии. В холодном хорошо куются латуни и сплавы алюминия, сталь - в нагретом состоянии. Чугун из-за повышенной хрупкости обработке давлением не подвергается.
Прокаливаемость - способность стали воспринимать закалку на определённую глубину от поверхности. Прокаливаемость стали определяется по виду излома, по изменению твёрдости в различных точках сечения образца, а также методом торцовой закалки.
Литейные свойства определяются жидкотекучестью, усадкой, склонностью к ликвации. При выборе литейных материалов учитывают, что чугун обладает высокими литейными свойствами: хорошей жидкотекучестью, небольшой усадкой и незначительной склонностью к ликвации. Литейные свойства сталей хуже, чем чугуна.




























57
2.2.1.Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием


 

Обрабатываемость резанием является важнейшей технологической характеристикой стали. Улучшение обрабатываемости резанием повышает производительность механической обработки и зачастую открывает возможность применения высокопрочных сталей, использование которых тормозилось этим технологическим критерием. Преимуществом способа придания формы путем снятия стружки является возможность получения готовых поверхностей, лежащих в допустимых пределах размеров, а также сложных форм деталей и экономичность производства сравнительно малых партий.
К сталям повышенной обрабатываемости резанием (эти стали называют автоматными) относят стали с высоким содержанием серы и фосфора, а также стали, специально легированные селеном, теллуром или свинцом. Их обозначают буквой «А» (автоматные стали) перед написанием марки стали. В селенсодержащих сталях после наименования марки ставится дополнительно буква «Е», а в свинецсодержащих сталях буква «С» ставится после буквы «А». В сталях с повышенным содержанием серы или фосфора, кроме буквы «А», другие обозначения не предусмотрены. Стали повышенной и высокой обрабатываемости регламентируются ГОСТ 1414-75.
Сера образует большое количество сульфидов марганца, вытянутых в направлении прокатки. Сульфиды оказывают

58
2.2.1.Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием

смазывающее действие. Кроме того, нарушая сплошность металла, они вместе с фосфором, повышающим хрупкость феррита, облегчают отделение и измельчение стружки. Отсутствие налипания металла на инструмент способствует получению гладкой блестящей поверхности резания. Вместе с тем повышенное количество серы и фосфора снижает качество стали.
Автоматные селеносодержащиестали подразделяют на углеродистые (А35Е, А45Е) и хромистую (А40ХЕ). Они содержат 0,04-0,10 и 0,06-0,12 . Повышение обрабатываемости связано с образованием селенидов и сульфоселенидов. Они обволакивают твердые оксидные включения и, тем самым, устраняют их истирающее действие. Кроме того, селен обеспечивает глобуляризацию сульфидных включений. Глобулярные включения не оказывают отрицательного влияния на свойства стали.
Введение свинца повышает скорость резания на 30-40 % без снижения стойкости инструмента и в 2-7 раз увеличивает стойкость инструмента при сохранении принятой скорости резания.
Свинец не ухудшает прочностных свойств, вызывая некоторую анизотропию пластичности и вязкости. Свинцовосодержащие стали широко применяют на автозаводах для изготовления многих деталей двигателя. Однако Pbявляется тяжелым металлом и оказывает неблагоприятное воздействие на окружающую среду.
Автоматные кальцийсодержащие(0,002-0,008 % Са) стали (АЦ20, АЦ30, АЦ40Х, АЦ30ХН и др.) с добавлением свинца и теллура предназначены для изготовления термически упрочненных деталей, обрабатываемых твердосплавным инструментом при высоких (100 м/мин и более) скоростях резания. Необходимость использования высоких скоростей обработки диктуется тем, что тугоплавкие кальцийсодержащие включения, образующиеся в этих сталях, способны размягчаться и проявлять смазывающее действие
59
2.2.1.Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием

лишь при высоких температурах в зоне резания.
Более эффективны металлургические приемы, предусматривающие введение в конструкционную сталь серы, селена, теллура, кальция, изменяющих состав и количество неметаллических включений; свинца, создающего собственные
металлические включения; фосфора, изменяющего свойства металлической основы.
Эти добавки и образуемые ими включения создают как бы внутреннюю смазку, которая в зоне резания снижает трение между инструментом и стружкой, а также облегчают ее измельчение.

























60
2.2.2.Медные сплавы: общая характеристика и классификация. Латуни и бронзы


 


Общая характеристика и классификация медных сплавов
Для повышения прочностных свойств медь легируют цинком, оловом, алюминием, марганцем, железом, кремнием, никелем. Повышая прочность медных сплавов, легирующие элементы практически не снижают, а некоторые из них (цинк, алюминий) увеличивают пластичность. Высокая пластичность – отличительная особенность медных сплавов. По прочности медные сплавы уступают сталям. Сплавы меди устойчивы против коррозии, обладают хорошими антифрикционными, технологическими и механическими свойствами и широко используются в качестве конструкционных материалов.
По технологическим свойствам медные сплавы подразделяют на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные. Из деформируемых медных сплавов изготавливают трубы, листы, ленту, проволоку, из литейных путем литья различные фасонные детали.
По способности упрочняться с помощью термической обработки медные сплавы делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.
По химическому составу медные сплавы подразделяют на две основные группы: латуни и бронзы.
Медные сплавы маркируют по химическому составу, используя буквы для обозначения элементов и числа для

61
2.2.2.Медные сплавы: общая характеристика и классификация. Латуни и бронзы

указания их массовых долей. В медных сплавах буквенные обозначения отличаются от обозначений, принятых для сталей. Алюминий в них обозначают буквой А, бериллий – Б, железо – Ж, кремний – К, магний – Мг, марганец – Мц, медь – М, мышьяк – Мш, никель – Н, олово – О, свинец – С, серебро – Ср, сурьма – Су, фосфор – Ф, цинк – Ц, цирконий – Цр, хром – Х.
Латуни
Латунями называют сплавы меди с цинком, а иногда с добавками небольшого количества других элементов. Из цветных сплавов латуни являются самыми распространенными.
По назначению и технологическим признакам латуни подразделяются на деформируемые и литейные.
Латуни маркируются буквой Л. В деформируемых латунях, не содержащих кроме меди и цинка других элементов, за буквой Л ставиться число, показывающее среднее содержание меди. В многокомпонентных латунях после Л ставятся буквы – символы элементов, а затем числа, указывающие содержание меди и каждого легирующего элемента. Например, латунь марки Л68 содержит 68% меди, остальное цинк. Латунь ЛЖМц 59-1-1 содержит 59% меди, 1% железа, 1% марганца, остальное – цинк. В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждого легирующего элемента ставиться непосредственно за буквой, обозначающей его. Например, латунь ЛЦ40Мц3А содержит 40% цинка, 3% марганца, 1% алюминия, остальное – медь.
Цвет (от красноватого до светло-желтого) и механические свойства латуни изменяются при увеличении содержания в них цинка.
Примеси повышают твердость и снижают пластичность латуней. Особенно неблагоприятно действуют свинец и висмут, которые в однофазных латунях вызывают красноломкость. Поэтому однофазные латуни в основном выпускают в виде
62
2.2.2.Медные сплавы: общая характеристика и классификация. Латуни и бронзы

холоднокатаных полуфабрикатов: полос, лент, проволоки, листов, из которых изготовляют детали методом глубокой вытяжки (радиаторные трубки, снарядные гильзы, сильфоны, трубопроводы), а также детали, требующие по условиям эксплуатации низкую твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца и др.).
В двухфазные латуни иногда добавляют свинец для улучшения обрабатываемости резанием и повышения антифрикционных свойств.
В виду невысокой пластичности эти латуни выпускают в виде горячекатаного полуфабриката: листов, прутков, труб, штамповок. Из них изготовляют втулки, гайки, тройники, штуцеры, токопроводящие детали электрооборудования и др.
Бронзы
Двойные или многокомпонентные сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом, бериллием, кремнием, хромом и другими элементами, среди которых цинк не является основным легирующим, называются бронзами.
Бронзы обозначаются буквами Бр, за которыми ставятся буквы и числа. В маркировках деформируемых бронз сначала помещают буквы – символы легирующих элементов, а затем числа, указывающие их содержание. Например, БрАЖ9-4 содержит 9% алюминия, 4% железа, остальное – медь. В марках литейных бронз после каждой буквы указывается содержание этого легирующего элемента. Например, БрО6Ц6С3 содержит 6% олова, 6% цинка, 3% свинца, остальное – медь.
В зависимости от легирующего элемента бронзы могут быть оловянистыми, алюминиевыми, бериллиевыми, кремнистыми, марганцовистыми, свинцовистыми и др. Наиболее широкое распространение получили четыре первых вида бронз. Используют также многокомпонентные бронзы.
Оловянные бронзы. В практике применяют сплавы, содержание олова в которых не превышает обычно 10-12%, так
63
2.2.2.Медные сплавы: общая характеристика и классификация. Латуни и бронзы

как при более высоком их содержании бронзы хрупки. В отличие от латуней оловянистые бронзы склонны к ликвации, в их микроструктуре можно отчетливо видеть дендриты выделяющихся соединений. Эти бронзы характеризуются пониженной жидкотекучестью, поэтому в них не образуются усадочные раковины, но возникает мелкая пористость, распределенная по объему. Это позволяет получать отливки сложной формы без усадочных раковин. Пластичность литых бронз – низкая. Двойные оловянные бронзы применяют редко, так как они дороги. По коррозионной стойкости в морской воде оловянистые бронзы превосходят медь и латунь. Их легируют цинком (Zn), железом (Fe), фосфором (P), никелем (Ni), свинцом (Pb).
Бронзы хорошо обрабатываются резанием, паяются, хуже свариваются.


 






















64
Тема 2.3. Износостойкие материалы


 



Виды изнашивания
Работоспособность материалов в условиях трения зависит от трёх групп факторов:
1. Внутренних, определяемые свойствами материала.
2. Внешних характеризующих вид трения (скольжение, качение) и режимработы (скорость относительного перемещения, нагрузка, характер еёприложения, температура).
3. Рабочей среды и смазочного материала.

Детали, подвергающиеся изнашиванию, подразделяют на две группы:

1. Детали, образующие пары трения (подшипники скольжения и качения, зубчатые передачи т.п.).
2. Детали, изнашивания которых вызывает рабочая среда (жидкость, газ ит.п.).
Характерные виды изнашивания:
Для первой группы – абразивное (твёрдыми частицами), адгезионное (разрушениеповерхностей трения при схватывании, заедании, наиболее опасный ибыстротечный вид изнашивания), окислительное, усталостное, фреттинг-процес(повреждение поверхности в виде ямок и язв).
Для второй группы – типично абразивное изнашивание (например, истираниепочвой), гидро- и газоабразивное (твёрдыми частицами, перемещаемыми
65
Тема 2.3. Износостойкие материалы
 жидкостью или газом), гидро и газоэрозионное (потоком жидкости или газов, кавитационное (от гидравлических ударов жидкости).
Закономерности изнашивания деталей, образующих пары трения, и пути уменьшения их износа.
Причина изнашивания сопряжённых деталей – работа сил трения.   Под действиемэтих сил происходит многократное  деформирование участков контактнойповерхности, их упрочнение и разупрочнение, выделение теплоты, изменениеструктуры, развитие процессов усталости, окисление и др.
Наиболее полно силовое взаимодействие твёрдых тел
объясняет молекулярно-механическая  (адгезионно-деформационная) теория трения.
Эта теория трения определяет два основных пути повышения износостойкостиматериалов:
1. Увеличение твёрдости трущейся поверхности.
2. Снижение прочности адгезионной связи.
Повышение твёрдости направлено на то, чтобы затруднить пластическуюдеформацию и исключить микрорезание поверхностей трения, обеспечив повозможности упругое деформирование участков контакта.
Снижение прочности адгезионной связи необходимо для предупреждениясхватывания металлических поверхностей. Наиболее эффективно эта цельдостигается разделением поверхностей трения жидким, твёрдым (иногда газовым) смазочным материалом.







66
2.3.1.Классификация износостойких материалов. Антифрикционные материалы


 



Классификация износостойких материалов
В зависимости от механических и фрикционных свойств износостойкие материалы подразделяют на три труппы:
1. Материалы с высокой твердостью поверхности.
2. Антифрикционные материалы, имеющие низкий коэффициент трения скольжения.
3. Фрикционные материалы, имеющие высокий коэффициент трения скольжения.
Антифрикционные материалы
Антифрикционные материалы (от англ. friction — трение) — это группа материалов, обладающих низким коэффициентом трения, или материалы, способные уменьшить коэффициент трения других материалов.
Твёрдые антифрикционные материалы обладают повышенной устойчивостью к износу при продолжительном трении. Используются для покрытия трущихся поверхностей (например, в подшипниках скольжения). Например, такими материалами могут служить латунь, железо-графит, фторопласт, бронза или баббит.
Эти материалы должны иметь минимальный коэффициент трения, структура покрытия должна обеспечивать антисхватывание и возможность быстрой

67
2.3.1.Классификация износостойких материалов. Антифрикционные материалы

приработки к контртелу, механические характеристики материала должны соответствовать эксплуатационным нагрузкам, должны быть достаточно износостойкими и пластичными.
Процесс нанесения антифрикционных покрытий
должен обеспечивать выполнение тех же требований, что и для износостойких покрытий, с той лишь разницей, что при его проведении строго не ограничивается толщина покрытия.
Антифрикционные материалы подразделяют
1. Металлические антифрикционные материалы.
2. Антифрикционные порошковые материалы.
3. Самосмазывающиеся спеченные материалы.
4. Материалы с твердыми смазочными компонентами.
5. Неметаллические материалы.
6. Металлополимерные материалы.
7. Минералы.
Выбор материала зависит от режима смазки и условий работы опор скольжения.

 


68
2.3.1.Классификация износостойких материалов. Антифрикционные материалы

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Металлические материалы предназначены для работы в режиме жидкостного трения, сочетающемся в реальных условиях эксплуатации с режимом граничной смазки. Из-за перегрева возможно разрушение граничной масляной пленки. Поведение материала в этот период работы зависит от его сопротивления схватыванию. Оно наиболее высоко у сплавов, имеющих в структуре мягкую составляющую.
Металлические материалы подразделяются на два типа сплавов: 1) сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями; 2) сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями.
К сплавам первого типа относятся баббиты и сплавы на основе меди – бронзы и латуни.






































69
Тема 2.4. Материалы с высокими упругими свойствами


 



Используют   в машиностроении для изготовления
рессоров,  амортизаторов,  силовых пружин различного назначения;  в приборостроении – длямногочисленных  упругих элементов:  мембран, пружин,
пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок и т.п.
Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклическихили ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация.
В связи с этим все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерныхдля всех конструкционных материалов (прочность, пластичность, вязкость, выносливость), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическимдеформациям.
Рессорно-пружинные стали
Стали с повышенным содержанием углерода 0,5 – 0,7%, которые подвергаютзакалке и отпуску при Т =420-520оС на структуру троостита. 
Троостит отличаетсястабильной дислокационной структурой, обеспечивающая высокие упругиесвойства и хорошие пластичность и вязкость, что важно для снижениячувствительности к концентраторам напряжений и увеличения пределавыносливости.
Пружинные материалы приборостроения
Одной из важнейших эксплуатационных требований – точная и стабильнаяхарактеристика. Характеристикой называ

70
Тема 2.4. Материалы с высокими упругими свойствами

ют зависимость деформации упругогоэлемента от приложенного усилия (напряжения).
Характеристика упругого элемента зависит от его конструкции (числа витковпружины, диаметра проволоки  и т.п.) и упругих свойств материала:  модуляупругости и предела упругости.
Кроме высоких пределов упругости, выносливости и релаксационной стойкости, пружинные материалы приборостроения, должны обладать: высокой коррозионнойстойкостью,  немагнитностью,  электропроводностью.
Стали,  имея высокий модуль упругости, не обеспечивают высокойчувствительности упругих элементов приборов.

 











71
2.4.1.Классификация материалов с высокими упругими свойствами. Рессорно-пружинные стали


 



Материалы с высокими упругими свойствами
I. Рессорно-пружинные стали содержат 0,5-1%углерода. Для повышения твёрдости и упругости их легируют кремнием, хромом или марганцем.
Виды сталей
1. Углеродистые - 60,65,70, 75, У8, У9, У10 применяют для пружин небольшого сечения.
2. Легированные
а) Кремнистые - 50С2, 55С2, 60С2, 70С3А, 60С2ХФА, 65С2ВА применяют для крупных пружин, работающих при высоких нагрузках.
б) Хромистая сталь 50ХФА применяется для клапанных пружин двигателей внутреннего сгорания.
Для повышения прочности эти стали подвергают закалке при температуре 830-850оС и среднему отпуску при t =420-520оС.
Рессорно-пружинные стали
Стали, предназначенные для изготовления пружин и рессор, должны допускать большие упругие деформации и иметь пластические свойства, обеспечивающие работу витых и других пружин без поломок при перегрузках,должны противостоять циклическим нагрузкам (особенно колебательного характера).

72
2.4.1.Классификация материалов с высокими упругими свойствами. Рессорно-пружинные стали

;Свойства
Для того чтобы удовлетворить такие требования, как выносливость, упругость и релаксационная стойкость, применяются материалы с повышенным содержанием углерода. Процент содержания этого вещества в используемом продукте должен быть в пределах от 0,5 до 0,7 %. Также важно подвергать этот вид стали закалке и отпуску. Проводить эти процедуры необходимо при температуре от 420 до 520 градусов по Цельсию.
;Сталь 65Г
 Рессорная сталь 65Г - это конструкционная высокоуглеродистая сталь, которая поставляется в соответствии с ГОСТом 14959. Такая марка относится к группе рессорно-пружинных сталей. Двумя наиболее важными требованиями, предъявляющимися к такому виду стали, являются высокая поверхностная прочность, а также повышенная упругость. Для того чтобы добиться необходимой прочности, в состав металла добавляют до 1 % марганца. Кроме того, чтобы достичь всех требуемых показателей, необходимо провести надлежащую термическую обработку деталей, изготовленных из этой марки.
;Термическая обработка
 Существует несколько режимов термической обработки этого типа стали. Любой из них выбирается в соответствии с производственными требованиями, которые предъявляются к готовому продукту. Чаще всего используется два метода термической обработки, которые гарантируют получение необходимых свойств с химической и физической точки зрения. К этим способам относят нормализацию и закалку с последующим отпуском.
;Режим закалки
 Как закалить рессорную сталь? Необходимо создать нужный температурный режим, выбрать правильное время, а также верно рассчитать время и температуру отпуска. Для того
73
2.4.1.Классификация материалов с высокими упругими свойствами. Рессорно-пружинные стали

чтобы придать стали все необходимые характеристики, которые задаются будущими техническими условиями эксплуатации детали, стоит провести нужную закалку.
Для выбора подходящего режима проведения этой процедуры опираются на такие характеристики: Важным является не только способ закалки, но и оборудование, которое используется для нагрева стали. Подобрать необходимый температурный режим закалки. Подобрать подходящий временной промежуток для закалки стали. Выбрать нужную среду для проведений процесса закаливания. Также важно правильно подобрать технологию охлаждения детали после процесса закаливания.

 










74
Тема 2.5. Материалы с малой плотностью


 



Материалы с малой плотностью лёгкие материалы.  Применение снизитьмассу, увеличить грузоподъёмность летательных аппаратов без снижения скоростии дальности полёта, повысить скорость движения автомобилей, судов, железнодорожного транспорта.
К ним относятся пластмассы,  цветные металлы   Al,   Mg, Be,  Ti,  и сплавы наих основе, а также композиционные материалы. Особенно перспективныматериалы, которые дают возможность снизить массу конструкции приодновременном повышении их прочности и жёсткости.
Основными критериями при  выборе конструкционных материалов в этом случаиявляются:  удельная прочность  ;/;g  и  удельная жёсткость  Е/;g.
(  ; - плотность кг/м3, 
g - ускорение свободного падения)
Материалы с высокой удельной прочность (сплавы Ti, 
Ве, композиционные материалы) предназначены в основном для изготовления высоконагруженныхдеталей.
А большинство цветных металлов и сплавов на их основе не обладаетвысокими прочностью, удельной прочность и удельной жёсткостью ипредназначены главным образом для изготовления мало- и средненагруженныхдеталей.













75
2.5.1.Сплавы на основе алюминия


 


Алюминий   металл серебристо-белого цвета, характеризуется низкой плотностью 2,7 г/см3, высокой электропроводностью, температура плавления 660°С. Механические свойства алюминия невысокие, поэтому в чистом виде как конструкционный материал применяется ограниченно. Для повышения физико-механических и технологических свойств алюминий легируют различными элементами (Сu, Mg, Si, Zn). Железо и кремний являются постоянными примесями алюминия.
Алюминиевые сплавы, получаемые методами порошковой металлургии, обладают по сравнению с литейными сплавами более высокой прочностью, стабильностью свойств при повышенных температурах и коррозионной стойкостью. К таким сплавам относятся спеченные алюминиевые сплавы и спеченные алюминиевые порошки.
Соединяя алюминий с легирующими добавками, можно добиться большей прочности и улучшить прочие свойства этого металла. В качестве добавок чаще всего применяют кремний, медь, марганец, цинк и магний. Рассмотрим основные сплавы.
Дюралюмин (дюралюминий, или просто дюраль)
Название этого соединения произошло от слова Дюрен – именно так назывался немецкий город, в котором в 1911г. начали производить этот сплав в промышленных масштабах. Получают его добавлением к алюминию меди (2,2 – 5,2 %),

76
2.5.1.Сплавы на основе алюминия

магния (0,2 – 2,7%) и марганца (0,2 - 0,1%). После термообработки металл становится очень прочным (статическая прочность достигает 450-500 МПа). Для того чтобы повысить антикоррозийную стойкость, его нередко плакируют алюминием. Используют в качестве конструкционного материала в транспортном и авиационном машиностроении.
Магналии – это различные сплавы алюминия с магнием и прочими элементами (содержание магния - 1-13%).
Для них характерна высокая пластичность, хорошая свариваемость и коррозийная стойкость. Используются для изготовления фасонных отливок, проволоки, листов, заклепок и т.д.
Силумин – это соединение получают, соединяя алюминий с кремнием (содержание кремния - 4-13%).
 Порой в него добавляют и другие добавки: Be, Ti, Zn, Mg, Mn, Cu. Данный сплав применяется для производства деталей сложной конструкции, в основном в авиа- и автостроении. Алюминий и его сплавы еще долго будут служить на благо человечества.
Доказательство тому новое изобретение – пеноалюминий или, как его еще называют, «металлический поролон». Многие эксперты считают, что у пористого алюминия есть отличные перспективы.









77
2.5.2. Сплавы на основе магния


 



Общая характеристика и классифика¬ция магниевых сплавов
 Достоинством магниевых сплавов является высокая удельная прочность. Временное сопро¬тивление отдельных сплавов достигает 250-400 МПа при. плотности менее 2-Ю3 кг/м3 (табл. 12.5). Основными .i,;-гирующими элементами мигниевых сплавов являются Al, Zn, Mn.
 Для до¬полнительного легирования используют цирконий, кадмий, церий, ниодим и др. Механические свойства сплаиов магния при температуре 20-25 °С улучшаю гся при легировании алюминием, цинком, цирконием (рис. 12.10), при повышен¬ной-добавкой церия, ниодима и осо¬бенно тория. Цирконий и це¬рий оказывают модифицирующее дей¬ствие на структуру сплавов магния. Особенно эффективно модифицирует цирконий.
Увеличение растворимости легирую¬щих элементов в магнии с повышением температуры дает возмож¬ность упрочнять магниевые сплавы с помощью закалки и искусственного старения. Однако термическая обработ¬ка магниевых сплавов затруднена из-за замедленных диффузионных процессов в магниевом твердом растворе. Малая скорость диффузии требует больших выдержек при нагреве под закалку (до 16-30 ч) для растворения вторичных фаз.
Классификация сплавов с магнием Магниевые сплавы подразделяются по ряду критериев. Это: по способу обработки – на литейные и деформируемые; по степени чувствительности




78
2.5.2. Сплавы на основе магния

к термической обработке – на неупрочняемые и упрочняемые термообработкой; по свойствам и сферам применения – на сплавы жаропрочные, высокопрочные и общего назначения; по системе легирования – существует несколько групп неупрочняемых и упрочняемых термообработкой деформируемых магниевых сплавов.


 
















79
Тема 2.6. Материалы с высокой удельной прочностью


 


Достоинство  сплавов титана – хорошие технологические свойства и отличнаякоррозионная стойкость.
Бериллий и композиционные материалы выгодно отличают от сплавов титана –высокая удельная жёсткость.
Удельная жёсткость  E/;g  ( Е – модуль нормальной упругости, ; – плотность кг/м3,   g – ускорение свободного падения)  это важнейшая характеристика современныхконструкционных материалов. Высокая удельная жёсткость в сочетании с хорошейудельной прочностью  ;в/;g  позволяет снизить массу конструкции приповышении её прочности и жёсткости. 
Это особенно важно в самолёто-иракетостроении.
Титан и сплавы на его основе
Титан – металл серого цвета.  Имеет две полиморфные модификации. Низкотемпературная  до 882оС  Ti; (ГПУ решётка) и высокотемпературная  Тi;(ОЦК решётка) при Т = 900оС.
Технический титан маркируют в зависимости от содержания примесей (водород, кислород, азот и углерод).  Водородная хрупкость наиболееопасна в сварных  конструкциях из-за наличия в них внутренних напряжений.
Практическое значение для легирования титана имеет только Al, так как кислороди азот сильно охрупчивают титановые сплавы.









80
2.6.1. Титан и сплавы на его основе. Характеристика титановых сплавов. Особенности обработки.


 


Титан и сплавы на его основе обладают высокой коррозионной стойкостью и удельной прочностью. Недостатками титана являются его активное взаимодействие с атмосферными газами, склонность к водородной хрупкости. Титан плохо обрабатывается резанием, удовлетворительно – давлением, сваривается в защитной атмосфере. Широко распространено вакуумное литье.
Литейные титановые сплавы.
 По сравнению с деформируемыми имеют меньшую прочность, пластичность и выносливость. Сложность литья титановых сплавов обусловлена активным взаимодействием титана с газами и формовочными материалами.
Высокими технологическими свойствами обладает сплав ВТ5Л: он пластичен, не склонен к образованию трещин при литье, хорошо сваривается. Работает до 400 C. Недостатком – невысокая прочность (800 МПа).
Применение сплавов титана.
 Из сплавов титана изготавливают: обшивку самолетов, морских судов, подводных лодок; корпуса ракет и двигателей; диски и лопатки стационарных турбин и компрессоров авиационных двигателей; гребные винты; баллоны для сжиженных газов; емкости для агрессивных химических сред.
Титановые сплавы. Основные характеристики
 Важнейшими преимуществами титановых сплавов перед другими конструкционными материалами являются их









81
2.6.1. Титан и сплавы на его основе. Характеристика титановых сплавов. Особенности обработки.

высокие удельная прочность и жаропрочность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Кроме того, титан и его сплавы хорошо свариваются, парамагнитны и обладают некоторыми другими свойствами, имеющими важное значение в ряде отраслей техники.
Перечисленные качества титановых сплавов открывают большие перспективы их применения в тех областях машиностроения, где требуются высокая удельная прочность и жаропрочность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Это относится, в первую очередь, к таким отраслям техники как авиастроение, ракетостроение, судостроение, химическое, пищевое и транспортное машиностроение.
Классификация
Титановые сплавы целесообразно разделить на три большие группы:
Конструкционные и высокопрочные титановые сплавы представляют собой - твердые растворы, что позволяет им обеспечивать оптимальное соотношение характеристик прочности и пластичности.













82
Тема 2.7. Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды


 


Коррозионно-стойкие материалы (стали) – конструкционные материалы при эксплуатации в агрессивной среде должны обладать не только определенными механическими свойствами, но также высокой коррозионной стойкостью. Коррозией называют разрушение металла под воздействием окружающей среды. Коррозия помимо уничтожения металла отрицательно влияет на эксплуатационные характеристики деталей, содействуя всем видам разрушения. Коррозия в зависимости от характера окружающей среды может быть химической и электрохимической. Электрохимическая коррозия имеет место в водных растворах, а так же в обыкновенной атмосфере, где имеется влага. Химическая коррозия может происходить за счет взаимодействия металла с газовой средой при отсутствии влаги.
Хромистые стали. Содержание хрома должно быть не менее 13% (13…18%). Коррозионная стойкость объясняется образованием на поверхности защитной пленки оксида.
Углерод в нержавеющих сталях является нежелательным, так как он обедняет раствор хромом, связывая его в карбиды, и способствует получению двухфазного состояния. Чем ниже содержание углерода, тем выше коррозионная стойкость нержавеющих сталей.
Различают стали ферритного класса 08Х13, 12Х17,

83
Тема 2.7. Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды

08Х25Т, 15Х28. Из ферритных сталей изготавливают оборудование азотно-кислотных заводов (емкости, трубы).
Стали мартенситного класса 20Х13, 30Х13, 40Х13. После закалки и отпуска при 180…250oС стали 30Х13, 40Х13 имеют твердость 50…60 HRC и используются для изготовления режущего инструмента (хирургического), пружин для работы при температуре 400…450o, предметов домашнего обихода.
Хромоникелевые стали. Для повышения механических свойств ферритных хромистых сталей в них добавляют 2…3 % никеля. Стали 10Х13Н3, 12Х17Н2 используются для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих в агрессивных средах.
Стали аустенитного класса – высоколегированные хромоникелевые стали. Нержавеющие стали аустенитного класса 04Х18Н10, 12Х18Н9Т имеют более высокую коррозионную стойкость, лучшие технологические свойства по сравнению с хромистыми нержавеющими сталями, лучше свариваются. Хромоникелевые стали коррозионностойки в окислительных средах. Основным элементом является хром, никель только повышает коррозионную стойкость.
Для уменьшения дефицитного никеля часть его заменяют марганцем (сталь 40Х14Г14Н3Т) или азотом (сталь 10Х20Н4АГ11). Аустенитно-ферритные стали 12Х21Н5Т, 08Х22Н6Т являются заменителями хромоникелевых сталей с целью экономии никеля.
Сплавы на никелевой основе.Сплавы типа хастеллой содержат до 80 % никеля, другим элементом является молибден в количестве до 15…30 %. Сплавы являются коррозионно-стойкими в особо агрессивных средах (кипящая фосфорная или соляная кислота), обладают высокими механическими свойствами.
– Жаростойкие материалы
Жаростойкость (окалиностойкость) – это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при
84
Тема 2.7. Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды

высоких температурах в течение длительного времени. Если изделие работает в окислительной газовой среде при температуре 500..550oC без больших нагрузок, то достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей).
– Жаропрочные материалы
Жаропрочность – это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах. То есть под жаропрочностью понимают способность сталей и сплавов выдерживать механические нагрузки при высоких температурах в течение определенного времени.
Жаропрочные материалы используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах, когда имеет место явление ползучести. Критериями оценки жаропрочности являются длительная прочность и ползучесть. Прочность зависит от продолжительности испытаний.

 







85
2.7.1. Виды коррозии. Коррозионно-стойкие материалы. Жаростойкие и жаропрочные материалы


 


Виды коррозии
Коррозией называют самопроизвольную деструкцию металлов под влиянием факторов окружающей среды в её химическом или физико-химическом выражении. В более широком понимании можно утверждать, что кроме металлов коррозии также  подвержены иные материалы: пластмасса, каучук, керамические изделия, бетоносодержащие смеси и т.д. Виды коррозии поделены с учетом основного фактора, однако они могут пересекаться.
Химическая коррозия  – процесс контакта элемента металла со средой, способствующей развитию коррозии, во время которого реакция окисления металлического элемента и восстановления самой окислительной компоненты среды происходит одновременно.
Электрохимическая коррозия – механизм реакционного соприкосновения раствора электролита с металлом, сущность которого, в противовес химическому типу ржавления, заключается в процессе, когда атомы металла ионизируются, окислительная компонента среды восстанавливается не в едином пространственном и временном промежутке: скорость реакций обусловлена электродным потенциалом.
Газовая коррозия – реакция ржавления металлов в условиях газовой среды с минимально допустимым содержанием воды (коэффициент не выше 0,1%) либо с применением экстремально высоких температур. Газовая


86
2.7.1. Виды коррозии. Коррозионно-стойкие материалы. Жаростойкие и жаропрочные материалы

коррозия популярна в промышленных сферах: нефтехимической, а также химической отраслях.
Подземная коррозия – ржавление в грунтовой среде.
Атмосферная коррозия — ржавление металлов в воздухе либо влажном газе.
Биокоррозия – реакция с появлением ржи под воздействием микроорганизмов.
Контактная коррозия – при подобной реакции участвует несколько металлов с отличными друг от друга потенциалами по электролиту.
Радиационная коррозия – возникновение ржи под влиянием радиоактивных лучей.
Коррозия током – процесс коррозии происходит в условиях воздействия внешнего либо блуждающего тока.
Коррозия под напряжением – ржавление металла в коррозионной среде под механическим напряжением. Химия подобного вида ржи небезопасна, в главной мере для опорных конструкций с воздействием механических нагрузок на них (турбины, рессоры, ведущие оси строений). Немаловажным нюансом при обозначенном типе ржавления служит потенциальная коррозионная усталость – накопительный эффект возникает при периодичном растягивающем напряжении.
Коррозионная кавитация – разрушительное влияние на металл коррозионной среды и ударной силы.
Фреттинг-коррозия – разрушение металлических поверхностей единовременным воздействием благоприятной для ржи среди и вибрации. По проявлению результатов процесса ликвидировать следствие возможно, для этого потребуется четко подобрать структурный материал, снизить уровень трения, применить покрывающую пленку либо выполнить другие подходящие в таком случае действия.
Межкристаллитная коррозия – проявление ржи по граням вкраплений. Так называемое скрытный разлом, в





87
2.7.1. Виды коррозии. Коррозионно-стойкие материалы. Жаростойкие и жаропрочные материалы

период активности которого внешних признаков не заметно, однако металл в краткие сроки лишается свойств прочности и эластичности. Наиболее часто от подобного вида внешнего вмешательства страдают сплавы, в состав которых входят никель, алюминий, хром.
Щелевая коррозия – является причиной повреждения металла в резьбовых креплениях, между прокладками и аналогичных участках.
Коррозионно-стойкие материалы
Коррозионностойкие непассивирующиеся металлы.  Au, Pt, Ag  имеюткоррозионную стойкость во всех средах, кроме некоторых концентрированныхокисляющих кислотах.  Cu, Sn,  Pb  используют во влажной атмосфере, морскойводе и многих органических кислотах.  Латуни – коррозионно-стойки приравномерной коррозии, но склонны к коррозионному растрескиванию во влажнойатмосфере (особенно при наличии сернистых газов), поэтому после их обработкидавлением необходим отпуск для устранения внутренних напряжений.  Бронзы илатуни не подвержены кавитационной коррозии, разрушающей подводную частьбыстроходных речных и морских судов;  сохраняют высокий предел выносливостив речной и морской воде.
Коррозионностойкие пассивирующиеся металлы. Пассивное состояние связываютс образованием на поверхности защитных плёнок.  Наибольшей склонностью ксамопассивированию на воздухе обладают  Ti,  Al,  Cr .
Ti
 в пассивированном состоянии по своей коррозионной стойкости уступаеттолько золоту и платине. Он обладает коррозионной стойкостью в морской воде вусловиях, вызывающих даже у медных сплавов кавитационную коррозию.
Al 
высока коррозионная стойкость во влажной атмосфере, окислительных иорганических кислотах.  Однако в щелочах он к






88
2.7.1. Виды коррозии. Коррозионно-стойкие материалы. Жаростойкие и жаропрочные материалы

орродирует с большой скоростью, а морской воде, кроме этого, подвержен коррозионному растрескиванию. Алюминий и его сплавы чувствительны к контактной коррозии с металлами  Fe, Ni, Cu.  Для защиты алюминия стальные детали (болты) покрывают кадмием илицинком.
При объёмном и поверхностном легировании  Cr>12,5% сталь становитсяпассивной; коррозионный ток и скорость коррозии резко снижаются.       При  содержании
Cr 17% низкоуглеродистые стали приобретают однофазную ферритнуюструктуру. Это увеличивает коррозионную стойкость, но исключает возможностьеё упрочнения термической обработкой.
Хромистые стали   12Х13,  20Х13  коррозионно-стойки при температуре не выше30оС во влажной атмосфере воздуха, водопроводной и речной воде, в азотной имногих органических кислотах.  В морской воде они подвержены коррозионномурастрескиванию. Они хорошо свариваются, в отожжённом состоянии пластичны, имеют повышенную ударную вязкость и могут подвергаться холодной обработкедавлением.
Стали 30Х13,  40Х13  подвергаются только горячей обработке давлением. Присварке эти стали могут давать трещины.
Хромоникелевые коррозионно-стойкие стали аустенитного класса – используют втех же средах, что и хромистые стали, но и при нагреве.
Стали   04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х18Н10Т  не склонны к межкристаллитнойкоррозии. Такие стали называют стабилизированными.
Сталь  17Х18Н9  склонна к межкристаллитной коррозии, поэтому после закалки еёнельзя нагревать выше 400оС, в частности, нельзя сваривать. Эту стальпоставляют в закалённом или наклёпанном состоянии.  ; = 1000 – 1200 МПа.







89
2.7.1. Виды коррозии. Коррозионно-стойкие материалы. Жаростойкие и жаропрочные материалы

Более дешёвыми являются коррозионно-стойкие стали, в которых дефицитныйникель частично или полностью заменён марганцем и азотом  10Х14Г14Н4Т,   12Х17Г9ФН4.
Жаростойкие и жаропрочные материалы
;Жаростойкие материалы.
Конструкционные металлические материалы в процессе обработки и эксплуатациипри нагреве в коррозионно-активных средах подвергаются химической коррозии иразрушению.
При химической коррозии поверхность металла окисляется.   Способностьметалла сопротивляться коррозионному воздействию газа при высокихтемпературах называют жаростойкостью.
Жаростойкость одного и того же металла зависит от многих факторов:  температуры,  состав газовой среды,  скорость её движения,  химического состава,  структуры,  чистоты обработки поверхности.  Полированные поверхностиокислятся медленнее.
;Жаропрочные сплавы.
Жаропрочностью  называется способность материала длительное времясопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах.  Жаропрочность важна при выборе материала, когда рабочие температуры деталейпревышают 0,3 Тпл.
Критерии жаропрочности материалов.       Рабочая температура;   длительностьработы под нагрузкой;   величина напряжений.
При длительном нагружении при высоких температурах поведение материалаопределяется диффузионными процессами. Для этих условий характерныпроцессы ползучести и релаксации напряжений.


90
Тема 2.8. Неметаллические материалы


 


К неметаллическим материалам относят пластмассы, древесину, клеи, резиновые, лакокрасочные, прокладочные, уплотнительные и изоляционное материалы
Обеспечивая необходимую механическую прочность и небольшую плотность изготовляемых из них изделий, неметаллические материалы придают им химическую стойкость, устойчивость к воздействию растворителей, водо-, газо- и паронепроницаемость, высокие изоляционные свойства.
Пластические массы (пластмассы неметаллические композиционные материалы на основе полимеров (смол), способные под влиянием нагревания и давления формироваться в изделия и устойчиво сохранять в результате охлаждения или отверждения приданную им форму.
Полимеры — это высокомолекулярные соединения, имеющие линейную , разветвленную или пространственную структуру. Молекула полимера — это длинная цепь, состоящая из отдельных звеньев , однотипных по химическому составу и строению (гомополимер) или разнотипных (сополимер). Классификация пластмасс. В зависимости от вида связей между молекулами полимеров и их поведения при повышенных температурах пластмассы разделяют на :
• термопластичные (термопласты), которые получают на основе поли¬-меров, молекулы которых связаны








91
Тема 2.8. Неметаллические материалы

• слабыми межмолекулярными силами. Наличие таких межмолекулярных связей позволяет полимеру много раз размягчаться при нагревании и твердеть при охлаждении, не теряя свои первоначальные свойства (полиэтилен, капрон, полиамиды, поливинилхлорид, винипласты, фторопласты, органическое стекло и др.).
• Реактопласты получают на основе полимеров, молекулы которых наряду с межмолекулярными силами могут связываться химически. Возникновение прочных химических связей в полимерах происходит при нагревании или при введении отверждающих добавок — отвердителей.
• Отвердителями называют вещества, которые в количестве нескольких процентов вводят в реактопласты для соединения полимерных молекул химическими связями. Примером реактопластов могут служить эпоксидные и полиэфирные смолы, фенопласты и другие полимеры.
• Пластмассы разделяют на пластики и эластики. Первые называют жесткими, они имеют незначительное относительное удлинение, вторые — мягкими, они имеют большое относительное удлинение и малую упругость.
• По составу пластмассы разделяют на две группы — ненаполненные и наполненные (композиционные).
• Ненаполненные пластмассы — это полимеры в чистом виде, например полиэтилен, полиамид, органическое стекло и др.
• Наполненные пластмассы — это сложные композиции, содержащие кроме полимера различные добавки. Добавки позволяют изменять свойства полимера в нужном направлении. К добавкам относят наполнители, пласти-фикаторы, стабилизаторы, катализаторы, красители, отвердители и специальные добавки.
• Стабилизаторы — различные органические вещества, способствуют предотвращению старения пластмасс и сохранению их полезных характери¬стик.









92
Тема 2.8. Неметаллические материалы

• Отвердители ускоряют процессы отвердения смол и получения пластмасс.
• Катализаторы — вещества (известь, магнезия и др.), ускоряющие отвердение пластмасс.
• Красители—вещества (сурик, мумия, нигрозин и др.), придающие пластмассам требуемый цвет.
• Специальные добавки — вещества, которые служат для изменения или усиления какого-либо свойства. К ним относят смазывающие вещества (стеарин, олеиновая кислота и др.), которые увеличивают текучесть, уменьшают трение между частицами композиций и устраняют прилипание к пресс-формам, вещества для уменьшения статических электрических зарядов, уменьшения горючести, защиты от плесени и т. д.
• Полиэтилен - обладает рядом ценных свойств: влаго- и газонепроницаем, не набухает в воде, эластичен в широком интервале температур, устойчив к действию кислот и щелочей, обладает очень хорошими диэлектрическими свойствами.
• Поликарбонаты - это термопластические материалы, обладающие ценными свойствами: высокой поверхностной твердостью, ударной прочностью и теплостойкостью. Они водостойки и стойки к окислительным средам при повышенных температурах. Поликарбонаты совершенно прозрачны и могут быть использованы вместо силикатного стекла. Поликарбонаты применяют для изготовления зубчатых колес, втулок, клапа¬нов, кулачков и других подобных деталей. Поликарбонаты перерабатывают в изделия всеми способами, применяемыми для изготовления изделий из термопластов.
• Пенопласт - это полимер, отличающийся химической стойкостью и атмосферостойкостью. По водостойкости пенопласт аналогичен фторопла¬стам, полиэтилену и полистиролу. Из пенопласта изготовляют химически стойкие трубы, клапаны, вентили, сепараторные кольца, подшипники, детали часовых механизмов.






93
Тема 2.8. Неметаллические материалы
Фольгированные пластмассы. Фольгированные пластмассы имеют специальное назначение: их применяют при изготовлении плат с печатным монтажом, кодовых переключателей, печатных якорей электродвигателей и других деталей.
Резиновые материалы. Резина — продукт химического превращения (вулканизации) синтетического и натурального каучуков. Взаимодействуя с вулканизирующими веществами, каучуки претерпевают внутренние химические изменения, в результате которых образуется резина.

 














94
2.8.1.Неметаллические материалы, их классификация, достоинства и недостатки. Область применения


 


Термопласты (полиэтилен, фторопласт, полистирол, полиамиды и др.) имеют свойства обратимости: при повторных нагреваниях они переходят в пластическое или вязкотекучее состояние и им можно придать необходимую форму, а затем они вновь затвердевают при охлаждении. Переход термопластов из одного физического состояния в другое может осуществляться неоднократно без изменения химического состава. Термопласты легко формуются и надежно свариваются в изделия сложных форм, устойчивы к ударным и вибрационным нагрузкам, обладают хорошими антифрикционными свойствами. Свойства термопластов сильно зависят от температуры.
Термореактивные пластмассы не переходят в пластическое состояние при повторном нагревании. Они имеют более высокие, чем термопласты, показатели по твердости, модулю упругости, теплостойкости, сопротивлению усталостной прочности. Их свойства не так резко зависят от температуры. В зависимости от наполнителя различают монолитные (карболит), слоистые (текстолит, гетинакс) и композиционные пластмассы, где наполнителем используются волокна. В термореактивных пластмассах связующими являются эпоксидные, кремнийорганические и другие смолы.
Достоинстава пластмасс: являются хорошими

95
2.8.1.Неметаллические материалы, их классификация, достоинства и недостатки. Область применения

электроизоляционными материалами. Для них характерна высокая химическая и коррозионная стойкость, малая плотность и теплостойкость. Они отличаются достаточной прочностью и упругостью. Детали, изготовленные из пластмасс, имеют блестящую гладкую поверхность разных цветов. Большим достоинством пластмасс является их высокая технологичность, обеспечивающая значительное сокращение производственного цикла. Трудоемкость изготовления пластмассовых деталей уменьшается в 5 … 6 раз и более, а себестоимость продукции снижается в 2 … 3 раза, при этом получают очень высокий коэффициент использования материала, равный 0,9 … 0,95. Это приводит к значительному снижению материалоемкости и из-за малой плотности пластмасс (1,2 … 1,9 Мг/м3), к уменьшению массы конструкции в 4 ... 5 раз.
Недстатки - пластмассы значительно хуже, чем металлы, сопротивляются переменным нагрузкам; они подвержены тепловому, световому и атмосферному старению – процессу самопроизвольного необратимого изменения свойств; многие из пластмасс гигроскопичны.
Из пластмасс изготавливают зубчатые и червячные колеса, шкивы, подшипники, ролики, корпуса, зубчатые ремни, ручки управления и другие детали. Производство пластмасс развивается интенсивнее, чем таких традиционных материалов, как металлы. Это объясняется удешевлением изготовления, улучшением ряда основных параметров механизмов: уменьшением веса и инерционности звеньев, потерь на трение, повышением быстродействия.














96
Тема 3.1. Материалы с особыми магнитными свойствами


 


Все материалы, помещенные во внешнее магнитное
поле, намагничиваются. Макроскопической характеристикой намагничивания материалов служит величинанамагниченностиМ,  равная суммарному магнитному моменту атомов единицыобъёма.
Установлена связь намагниченности М с напряжённостью Н (А/м) внешнегомагнитного поля:
М = km Н
где km безразмерный коэффициент пропорциональности называют магнитнойвосприимчивостью материала.
В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все материалыподразделяют:
• Диамагнетики;
• Парамагнетики;
• Ферромагнетики;
Диамагнетики это материалы, которые
намагничиваются противоположноприложенному полю и ослабляют его, т.е. имеют отрицательную магнитнуювосприимчивость (km < 0).
Парамагнетики – материалы, которые имеют km > 0 и слабо намагничиваютсявнешним полем.  К ним относятся металлы, атомы которых имеют нечётное числовалентных электронов (исключение составляют Cu, Ag, Au и др.)
Ферромагнетики – характеризуются большим значением магнитнойвосприимчивости (km >>1), а также  её нелинейной зависимостью отнапряжённости поля и температуры.
97
Тема 3.1. Материалы с особыми магнитными свойствами

Магнитно – мягкие материалы
Магнитно мягкие материалы намагничиваются в слабых магнитных полях (Н < 5х104 А/м) вследствие большой магнитной проницаемости (µнач.<88 мГн/м  иµmax <300 мГн/м) и малых потерь на перемагничивания.
Такие материалы применяют для изготовления сердечников катушек, электромагнитов, трансформаторов, динамомашин.
Магнитно – мягкие материалы подразделяют на:
• Низкочастотные мягкие материалы;
• Высокочастотные мягкие материалы.
    Низкочастотные    мягкие    материалы  в  свою   
очередь         подразделяют на:
а) низкочастотные с высокой индукцией насыщения Вs  (процесс намагничиваниятел во внешнем магнитном поле);
б) низкочастотные с высокой магнитнойпроницаемостью µ (интенсивность роста индукции при увеличениинамагничивающего поля).

 

















98
Тема 3.2. Материалы с особыми электрическими свойствами


 

Материалы по электрическим свойствам подразделяют на три группы:
• Проводники;
• Полупроводники;
• Диэлектрики.
Различают эти материалы по:
Величине удельного электрического сопротивления
(Ом *м);
Характеру зависимости материала от температуры;
Типу проводимости
Проводники – удельное электрическое сопротивление в пределах 10-8-10-5 Ом*м, с ростомтемпературы увеличивается.  Используется для проводников постоянного и переменного тока, резисторов, нагревательных элементов, контактов и т.д.
Полупроводники – удельное электрическое сопротивление в пределах  10-5-108 Ом*м, с ростомтемпературы уменьшается.   Применяют для выпрямления, усиления электрических сигналов, превращения различных видов энергии в электрическую и т.д.
Диэлектрики – удельное электрическое сопротивление в пределах 108-1016 Ом*м, используют какизоляторы.
Из курса физики:  электрическая проводимость твёрдых тел, в первую очередь определяетсяэлектронным строением атомов. Плотность заполнения электронами энергетических зон
99
Тема 3.2. Материалы с особыми электрическими свойствами

(валентнаязона,  зона запрещённых энергий,  зона проводимости) и их перекрытие определяют электрическуюпроводимость твёрдых тел.
Например, ширина запрещённой зоны определяет электрическую проводимость полупроводников. Дефекты и примеси уменьшают ширину запрещённой зоны и изменяют число электроновпроводимости.
Деформация и остаточные напряжения, возникающие при технологической обработке, создаютискажения в кристаллической структуре (вакансии, дислокации, блоки, границы), которые такжеповышают сопротивление вследствие дополнительного рассеяние.



 


































100
3.2.1.Электрические свойства полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы


 


Полупроводники занимают особое место в электро- и радиотехнических материалах, занимая промежуточное положение по электрической проводимости и ряду других свойств между проводниками и диэлектриками.
Их проводимость находится в пределах 1000 - 1000 0м;м при 180 С. B отличие от металлов удельная проводимость полупроводников, также как и диэлектриков, с увеличением температуры уменьшается.
Для полупроводников характерна сильная зависимость r от вида и количества содержащихся примесей. Например, при введении в химически чистый германий (Gе) 0,001% мышьяка его удельная проводимость увеличивается в 10 раз.
Полупроводники чувствительны к различного рода внешним воздействиям - свету, облучению ядерными частицами, электромагнитным полем, давлению и др.
Известно много веществ, обладающих полупроводниковыми свойствами. Наиболее известны германий, кремний, селен, теллур, бор, углерод, фосфор, сера, сурьма, мышьяк, серое олово, йод и другие многоэлементные соединения.
Ток проводимости в проводниках определяется направленным движением огромного количества свободных электронов. В полупроводниках свободных электронов много. Это объясняется тем, что валентные электроны в полупроводниках связаны со своими атомами, т.е. не являются
101
3.2.1.Электрические свойства полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы

свободными. Ток в полупроводниках может возникать и изменяться в широких пределах только под влиянием внешних воздействий - нагревания, облучения или введением некоторых примесей. Это увеличивает энергию валентных электронов, позволяет им отрываться от своих атомов и под действием приложенного напряжения направленно перемещаться, т.е. становиться носителями тока. Чем выше температура полупроводника или интенсивнее внешнее облучение, тем больше в нем свободных электронов и тем больше ток. Атомы полупроводника, потерявшие электроны, превращаются в положительные ионы, которые не могут перемещаться.
Место на внешней оболочке атома, покинутое электроном, называют «дыркой». Эту дырку может занять другой электрон, покинувший свое место в соседнем атоме. В результате на внешней оболочке соседнего атома появится дырка, т.е. он превратится в положительный ион. При приложении к полупроводнику электрического напряжения электроны будут перемещаться от одних атомов к другим в одном направлении, а дырки в другом (противоположном).
Полупроводниковые материалы обладают и рядом других специфических свойств:
1.  Под действием света удельная проводимость некоторых полупроводников (селена) может резко изменяться. Это объясняется тем, что световое излучение определенной длины волны (400-700 нм) сообщает электронам полупроводника энергию, достаточную для того, чтобы они стали свободными. Электрическое сопротивление полупроводника при этом резко уменьшается. Это свойство используют в фоторезисторах.
2. При частичном освящении полупроводника светом, когда на его поверхности имеются освещенная и неосвещенная зоны между ними, возникает фото-ЭДС. Этот эффект







102
3.2.1.Электрические свойства полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы

используется при создании солнечных батарей и других источников энергии.
3. Некоторые полупроводники (Si) резко изменяют электрическое сопротивление под действием оказываемого на них давления (тензорезистивный эффект). Это явление используют при изготовлении чувствительных измерителей давления – тензорезисторов.
4. Наличие в полупроводниках двух участков с разными температурами вызывает перемещение свободных зарядов от нагретого участка к холодному. Так, если носителями зарядов являются электроны, они, перемещаясь к холодному участку заряжают его отрицательно. Нагретый участок, потеряв электроны, заряжается положительно. В результате между нагретым и холодным участком полупроводника возникает термо-ЭДС. Этот эффект используется при создании термоэлементов и термогенераторов, способных превращать тепловую энергию в электрическую.


 





















103
3.2.2.Диэлектрики. Электроизоляционные лаки, эмали. Компаунды


 


Диэлектрики
Диэлектрик - это материал или вещество, которое практически не пропускает электрический ток. Такая проводимость получается вследствие небольшого количества электронов и ионов. Данные частицы образуются в не проводящем электрический ток материале только при достижении высоких температурных свойств.
Электроизоляционные лаки
Электроизоляционные лаки являются растворами пленкообразующих веществ в органических растворителях. Слой лака, нанесенный на твердую поверхность, постепенно отверждается, образуя лаковую пленку – гибкую или хрупкую – в зависимости от состава лака. В качестве растворителей используют легко испаряющиеся жидкости: бензол, толуол, ацетон, спирты. К пленкообразующим веществам относятся полимеры (полистирол, поливинилхлорид) и смолы (бакелитовые, эпоксидные, кремнийорганичес-кие и др.). В состав некоторых лаков входят еще пластификаторы и сиккативы.
Пластификаторы – вещества, прилагающие эластичность отвержден-ной лаковой пленке. В качестве пластификаторов применяют касторовое масло, жирные

104
3.2.2.Диэлектрики. Электроизоляционные лаки, эмали. Компаунды.

кислоты льняного масла. Сикккативы – жидкие или твердые вещества, вводимые в некоторые лаки, чтобы ускорить отверждение лака.
По своему назначению электроизоляционные лаки делят на пропиточ-ные, покровные, эмаль-лаки и клеящие.
Пропиточные лаки применяют в электронной аппаратуре для пропитки обмоток трансформаторов, дросселей и др. Обмотки пропитывают лаками для прочного соединения витков друг с другом, а также для устранения по- ристости изоляции проводов обмоток и повышения теплопроводности.
Покровные лаки применяют для создания на поверхности пропитанных обмоток или печатных плат электроизоляционных защитных покрытий толщиной 0,04 – 0,2 мм большой сплошности – без пор. Отвержденные пленки покровных лаков должны обладать влагостойкостью и тропикостойкостью. Эмаль-лаки – одна из разновидностей покровных лаков, применяемых для тонкопленочной изоляции обмоточных проводов. Эти лаки должны обла- дать хорошей адгезией к медным и алюминиевым проводам, а также образовывать гибкую пленку с большим сопротивлением истиранию. Эмаль-лаки изготовляют на основе поливинилацетатных и полиэфирных смол.
Клеящие лаки применяют для склеивания керамики с керамикой или керамики с металлом, а также пластмасс и других материалов. Растворы клеящих лаков должны обладать хорошей адгезией к различным твердым мате-риалам и образовывать прочный клеевой шов. В качестве клеящих лаков широко применяют составы на основе эпоксидных, бутварно-фенольных и других полимеров. В зависимости от основы отвержденные пленки лаков могут быть
105
3.2.2.Диэлектрики. Электроизоляционные лаки, эмали. Компаунды.

термопластичными веществами (полистирольные, поливинил-хлоридные) или термореактивными (бакелитовые, эпоксидные).
Важнейшими характеристиками лаков являются вязкость, время высыхания, термопластичность, водопоглощаемость и электрические характеристики. В таблице 5.2 приведены основные характеристики лаков горячей сушки.
Электроизоляционные эмали – это лаки с введенными в них тонко-дисперсными веществами (пигментами), в качестве которых применяют оксиды различных металлов. Эмали являются покровными материалами, так как обладают повышенной вязкостью. Ими покрывают пропитанные лаком катушки трансформаторов, печатные платы и другие изделия для защиты от влаги, атмосферных и других воздействий.
В эпоксидных компаундах холодного отверждения в качестве отверди-телей применяют амины (полиэтиленполиамин, пиридин и др.). Эпоксидные компаунды с отвердителями холодного отверждения имеют ограниченный срок жизни (30 – 60 мин.).





















106
Тема 4.1. Материалы для режущих и измерительных инструментов


 


К материалам для измерительных инструментов предъявляются дополнительные по сравнению с материалами для режущих инструментов требования. Основный из них: малый температурный коэффициент линейного расширения, хорошие закаливаемость с минимальными деформациями и обрабатываемость с низкой шероховатостью поверхностей, способность в термически обработанном виде сохранять стабильными размеры, а также быть коррозионно-стойкими.
Универсальные измерительные инструменты, широко используемые в обработке металлов резанием и давлением, можно разделить в зависимости от назначения и точности измерения на штриховые, штангенинструменты, микрометрические инструменты, калибры, плитки и др.
Штриховые инструменты — это обычные металлические линейки и рулетки разной длины с нанесенными на них делениями — штрихами ценой в 1 мм.
Штангенинструмент (штангенциркули) — измерительные инструменты с двумя губками: одной, неподвижно соединенной с масштабной (с делениями) линейкой (штангой), и другой, скользящей вдоль линейки с нониусом. Цена деления этих инструментов 0,1; 0,05 и 0,02 мм. Штангенциркуль с ценой деления 0,1 мм имеет глубиномер.
Микрометрические инструменты (микрометры) предназначены для измерения диаметров валов, отверстий, толщин и глубин с точностью до 0,01 мм.
107
Тема 4.1. Материалы для режущих и измерительных инструментов

Калибры служат для отбраковки по размерам деталей типа валов и отверстий в них как гладких, так и резьбовых. Для контроля наружных размеров используют инструмент в виде скоб, внутренних — пробки, резьб кольца. Калибры имеют два размера, между которым находится действительный размер изделия. Один из размеров калибра является проходным (Г1Р), а второй — непроходным (НЕ). Пробки с проходным размером, как правило, делают длиннее пробок с непроходным. Сначала контролируемое изделие пропускают через проходную часть калибра, а затем прикасаются им непроходной части, через которую оно не проходит, слегка застревая.
Плитки — концевые меры длины, используемые для проверки измерительных приборов, инструментов, установки заданных размеров, при особо точных разметочных работах, наладке станков и в других случаях.
Они имеют две взаимно-параллельные измерительные плоскости, изготовленные с высокой точностью, минимальной шероховатостью и в виде наборов с разными номинальными размерами. Важнейшее свойство плиток — притираемость одной к другой с достаточной прочностью, что позволяет составлять из плиток блоки нужных размеров.
К инструментальным сталям для измерительных инструментов предъявляют особые требования, изложенные в соответствующих стандартах. Каждая плавка таких сталей должна быть проверена на степень загрязнения неметаллическими включениями — оксидами, сульфидами, а также на однородность распределения карбидов — карбидную ликвацию. Кроме того, ограничивается допустимый температурный коэффициент линейного расширения.
Для изготовления особо точного инструмента используют высокочистый металл (по примесям и загрязнениям). Наиболее распространенный метод его получения — электрошлаковый переплав (ЭШП). Процесс осуществляется при атмосферном давлении под слоем шлака,






108
Тема 4.1. Материалы для режущих и измерительных инструментов

нагретого до температуры 1 700...2ООО°С, в медном кристаллизаторе. Расплавленный металл стекает по электроду через защитный слой шлака в жидкую ванну, в которой он затвердевает по окончании плавки. Методом ЭШП получают слитки массой до 150...200 т, а отсутствие огнеупоров позволяет выбирать и строго регулировать оптимальный для данной марки химический состав. Поверхность слитка, переплавляемого методом ЭШП, получается чистой, покрытой тонким слоем шлака, который легко удаляется.
Кроме указанного, известны и другие способы переплава, например, в процессах вакуумной индукционной плавки (ВИП), вакуумного дугового переплава (ВДП), электронно-лучевого переплава (ЭЛП), плазменно-дуговой плавки (ПДП) и др.

 









109
4.1.1.Материалы для режущих и измерительных инструментов: углеродистые стали, быстрорежущие стали, твердые сплавы


 


Быстрорежущие стали
Быстрорежущие стали широко применяют для изготовления режущего инструмента, работающего в условиях значительного силового нагружения и нагрева (до 600–640 °С) режущих кромок. К этой группе сталей относятся высоколегированные вольфрамом совместно с другими карбидообразующими элементами (молибден, хром, ванадий) стали, приобретающие высокие твердость, прочность, тепло- и износоустойчивость в результате двойного упрочнения: а) мартенситного при закалке; б) дисперсионного твердения при относительно высоком отпуске (500–620 °С), вызывающего выделение упрочняющих фаз.
Быстрорежущие стали маркируют буквой «Р» (rapid — быстрый) и числом, показывающим среднее содержание W, а также последующими буквами и цифрами, указывающими другие легирующие элементы и их количество, как в стандартной маркировке легированных сталей. В марках быстрорежущих сталей не указывают углерод и хром (их массовая доля » 1 % и » 4 % соответственно), а также молибден до 1 % включительно и ванадий в сталях Р18, Р9, Р9К5, Р6М5 и др.
Углеродистые стали
Инструментальные углеродистые стали в соответствии с











110
4.1.1.Материалы для режущих и измерительных инструментов: углеродистые стали, быстрорежущие стали, твердые сплавы
 
ГОСТ 1435–90 маркируют буквой «У» и числом, указывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента. Для изготовления инструмента применяют качественные стали марок У7–У13 и высококачественные стали марок У7А–У13А.
По механическим свойствам и назначению углеродистые стали подразделяются на:
• стали повышенной вязкости (У7–У9) для изготовления инструмента с высокой режущей способностью, подвергающегося ударным нагрузкам (зубила, кернеры и т. д.);
• стали высокой твердости (У10–У13) для изготовления режущего инструмента, не подвергающегося ударным нагрузкам (напильники, шаберы и т. д.).
Металлокерамические твердые сплавы
Под твердыми сплавами понимают сплавы на основе высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединенных металлической связкой, как правило, кобальтом. Твердые сплавы являются металлокерамическими.
Твердые сплавы изготавливают методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, прессуют эту смесь в изделия необходимой формы и подвергают спеканию при 1400–1550 °С в защитной атмосфере (водород) или в вакууме. При спекании кобальт плавится и растворяет часть карбидов, что позволяет получать плотный материал (пористость не превышает 2 %), состоящий на 80–97 % из карбидных частиц, соединенных связкой. Увеличение содержание связки вызывает снижение твердости, но повышение вязкости.








111
Тема 5.1. Порошковые материалы


 


Метод порошковой металлургии в последние годы прочно вошел во все сферы техники. С его помощью производят различные материалы, имеющие уникальные функциональные характеристики. Сегодня из них изготавливаются конструкционные элементы машин и механизмов, металлорежущий и породоразрушающий инструмент, подшипники и прочие компоненты узлов трения, детали электротехнического оборудования и оснащения атомных реакторов, магниты, охладители испарительного типа, множество других незаменимых изделий промышленного назначения. Повсеместное распространение получил в последнее время также способ нанесения на металлические поверхности защитных покрытий путем напыления и наплавления.
Технологическими достижениями в сфере ПМ обусловлено создание порошковой продукции исключительных функциональных качеств, при наиболее выгодных экономических характеристиках, способствующих ресурсо- и энергосбережению. В последние годы ПМ развивается особенно бурно в плане разработки как инновационных технологий, так и новейших порошковых материалов.
Современные порошковые материалы по видам применения условно подразделяют на следующие





112
Тема 5.1. Порошковые материалы

функциональные категории:
• конструкционные (включая группы металлов и их сплавов, металлокерамических твердых сплавов и минералокерамики);
• пористые (включая группы фильтрующих, триботехнических, «потеющих» и пеноматериалов);
• электротехнического назначения;
• специальные материалы для ядерной энергетики и др.
Все они по-своему востребованы, а потому нуждаются в более подробном рассмотрении.

 












113
5.1.1. Порошковая металлургия. Свойства и применение порошковых материалов в промышленности


 

Производство изделий, которое осуществляет порошковая металлургия, возможно только на специализированном оборудовании. Их номенклатуру можно разделить на продукцию конструкционного, антифрикционного и специального назначения. Последняя производится из материалов, обладающих особыми свойствами. Изделия спецназначения невозможно изготовить альтернативными способами.
Порошковая металлургия предполагает производство изделий из металлических порошков. Такие детали удивительно точны и не требуют обработки в дальнейшем.
Вместе с тем сама технология производства не относится к сложным. В ее основе лежит старинный способ изготовления керамики, разница состоит лишь в используемом сырье. Благодаря тому, что данный способ является экономичным и простым, он быстро встал на одну ступень по конкуренции с ковкой, литьем, штампованием и другими методами изготовления металлических деталей.
Сфера применения изделий Порошковая металлургия предоставляет широкие возможности для производства деталей для различных марок автомобилей. Данным методом изготавливаются:

114
5.1.1. Порошковая металлургия. Свойства и применение порошковых материалов в промышленности

;детали трансмиссии и рулевого управления;
;составляющие запорной фурнитуры;
;золотники, роторы, корпусы насосов;
;роторы для электродвигателей;
;втулки, вкладыши, подшипники;
;звездочки, шестерни, фланцы и многое другое.
 Кроме этого, твердость порошковых деталей позволяет изготавливать из них режущие инструменты, жаростойкость позволяет использовать их в тормозной системе самолетов, сельскохозяйственной техники и автомобилей. Для того чтобы получить детали, отвечающие различным характеристикам, достаточно смешать порошки нескольких металлов. Такие детали используются в ракетных двигателях, газовых турбинах, ядерных реакторах.
Порошковая металлургия позволяет производить такие соединения металлов, которые невозможно получить, используя плавильные печи. Ее развитие обусловлено тем, что некоторые металлы невозможно обрабатывать стандартными способами. В настоящее время металлические порошки смешиваются даже с аналогами из пластмассы, стекла и минералов. Данный метод позволяет получать еще более разносторонние по своим свойствам изделия.

 













115
Тема 5.2. Композиционные материалы


 


В различных сферах промышленности используются композитные материалы. Что это такое? Это материалы на основе нескольких компонентов, что обусловливает их эксплуатационные и технологичные характеристики. В основе композитов лежит матрица на основе металла, полимера или керамики. Дополнительное армирование выполняется наполнителями в виде волокон, нитевидных кристаллов и различных частиц.
Классификация композитов основана на их матрице, которая может быть металлической и неметаллической. Материалы с металлической матрицей на основе алюминия, магния, никеля и их сплавов обретают дополнительную прочность за счет волокнистых материалов или тугоплавких частиц, которые не растворяются в основном металле.
Композиты с неметаллической матрицей в основе имеют полимеры, углерод или керамику. Среди полимерных матриц наиболее популярны эпоксидная, полиамидная и фенолформальдегидная. Форма композиции придается за счет матрицы, которая выступает своеобразным связующим веществом. Для упрочнения материалов используются волокна, жгуты, нити, многослойные ткани. Изготовление композитных материалов ведется на основе следующих технологических методов: пропитка армирующих волокон

116
Тема 5.2. Композиционные материалы

матричным материалом; формование в пресс-форме лент упрочнителя и матрицы; холодное прессование компонентов с дальнейшим спеканием; электрохимическое нанесение покрытия на волокна и дальнейшее прессование; осаждение матрицы плазменным напылением и последующее обжатие.
Основные характеристики Мы описали самые популярные полимерные композитные материалы. Что это такое, теперь понятно. Благодаря слоистой структуре есть возможность армирования каждого слоя параллельными непрерывными волокнами. Стоит отдельно сказать о характеристиках современных композитов, которые отличаются:
;высоким значением временного сопротивления и предела выносливости;
;высоким уровнем упругости; прочностью, которая достигается армированием слоев;
;за счет жестких армирующих волокон композиты обладают высокой стойкостью к напряжениям на разрыв.
Композиты на основе металлов отличаются высокой прочностью и жаропрочностью, при этом они практически неэластичны. За счет структуры волокон уменьшается скорость распространения трещин, которые иногда появляются в матрице.

 













117
5.2.1.Композиционные материалы, их классификация, достоинства и недостатки, применение в промышленности


 


Главное преимущество КМ в том, что материал и конструкция создается одновременно. Стоит сразу оговорить, что КМ создаются под выполнение данных задач, соответственно не могут вмещать в себя все возможные преимущества, но, проектируя новый композит, инженер волен задать ему характеристики значительно превосходящие характеристики традиционных материалов при выполнении данной цели в данном механизме, но уступающие им в каких-либо других аспектах. Это значит, что КМ не может быть лучше традиционного материала во всём, то есть для каждого изделия инженер проводит все необходимые расчёты и только потом выбирает оптимум между материалами для производства.
Достоинства композитные материалов
• высокая удельная прочность
• высокая жёсткость (модуль упругости 130...140 ГПа)
• высокая износостойкость
• высокая усталостная прочность
• из КМ возможно изготовить размеростабильные конструкции
• легкость
Причём, разные классы композитов могут обладать одним или несколькими преимуществами. Некоторых











118
5.2.1.Композиционные материалы, их классификация, достоинства и недостатки, применение в промышленности
преимуществ невозможно добиться одновременно.
Недостатки композиционных материалов
Большинство классов композитов (но не все) обладают недостатками:
• высокая стоимость
• анизотропия свойств
• повышенная наукоёмкость производства, необходимость специального дорогостоящего оборудования и сырья, а следовательно развитого промышленного производства и научной базы страны.
Области применения:
• Товары широкого потребления.
• Железобетон — один из старейших и простейших композиционных материалов.
• Хокейные клюшки , удилища для рыбной ловли из стеклопластика и углепластика.
• Лодки из стеклопластика.
• Автомобильные покрышки.
• Металлокомпозиты.
Основная область применения металлокомпозитов авиация и космонавтика. В авиации и космонавтике с 1960-х годов существует настоятельная необходимость в изготовлении прочных, лёгких и износостойких конструкций. Композиционные материалы применяются для изготовления силовых конструкций летательных аппаратов, искусственных спутников, теплоизолирующих покрытий котлов, космических зондов. Всё чаще композиты применяются для изготовления обшивок воздушных и космических аппаратов, и наиболее нагруженных силовых элементов.
Благодаря своим характеристикам (прочности и
119
5.2.1.Композиционные материалы, их классификация, достоинства и недостатки, применение в промышленности

лёгкости) композиционные материалы применяются в военном деле для производства различных видов брони: бронежилетов, брони для военной техники.
По структуре композиты делятся на несколько типов:
Волокнистые композиты
• Волокнистые композиты армированы волокнами — кирпичи с соломой и оболочки для египетских мумий можно отнести как раз к этому классу композитов .
Слоистые материалы
• В слоистых материалах матрица (основа) и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.
Дисперсноупрочнённые материалы
• Дисперсноупрочнённые материалы, полученные путём введения в металлическую матрицу дисперсных частиц (упрочнителей) это жаропрочные сплавы, длительно работающие под нагрузкой.
Нанокомпозиты
Нанокомпозиты- это современный многофункциональный материал, содержащий наноразмерные частицы и обладающий уникальными свойствами, которые до конца еще не изучены. В композитах углеродные волокна(основа) армированы нитевидными кристаллами.
Одно из интереснейших и перспективных направлений в науке о полимерах и материаловедении последних лет разработка принципов получения полимерных нанокомпозитов. Нанокомпозиты — структурированные материалы со средним размером одной из фаз менее 100 нм. Наноструктурные композиты имеют повышенные механические и иные свойства из-за уменьшения среднего

120
5.2.1.Композиционные материалы, их классификация, достоинства и недостатки, применение в промышленности

размера кристаллитов и уплотнения материалов. Широким классом композитных материалов являются армированные или упрочненные нановолокнами пластики, керамика и другие материалы.


 


























121
Приложение
Лабораторные работы
 
Оформление лабораторной работы

Дата: _____ (Отвечает на вопрос: "Когда делали? " Дата - это один из важных пунктов для протокола любого научного исследования, т. к. она подтверждает реальность проведённой работы, привязывает её к определённому времени. Можно сказать, что дата - это необходимый элемент для обозначения научности и реальности проводимого исследования.)

Лабораторная работа № ___.

Тема: «___________________________________________» (Отвечает на вопрос: "По какому поводу делали? ")

Цель: _____________________________________________ (Отвечает на вопрос: "Для чего делали? " Важно помнить, что именно цель работы нацеливает на выводы, которые вы должны сделать в конце данной работы. Цель должна соответствовать выводам, а выводы - поставленной цели.)

Оборудование: _____________________________________


122
 (Отвечает на вопрос: "Что необходимо для выполнения работы? ", а также "Чем научились пользоваться за время выполнения работы? ")

Ход работы: _______________________________________ (Отвечает на вопрос: "Что делали? " По существу, это краткий конспект ваших действий с объектами и оборудованием. Ход работы задаётся в методических указаниях в разделе "Методика выполнения работы". "Методика" - это то, что должны сделать. "Ход работы" - это то, что сделали в реальности. Конечно, обычно они совпадают!)

Результаты: _______________________________________ (Отвечают на вопрос: "Что наблюдали? " Или: "Что регистрировали? " Надо привести конкретные описания своих наблюдений или конкретные результаты проведённых измерений, выраженные в соответствующих цифрах. Либо сделать зарисовки препаратов или рисунков.)

Варианты представления результатов:

1. Описание явления.

2. Таблица.

3. Рисунок. Необходимо подписать название рисунка и сделать обозначения его важнейших деталей.

Выводы: __________________________________________ (Отвечают на вопрос: "Что поняли? " Отвечая на этот вопрос следует исходить из цели лабораторной работы. Этой работой вы что-то должны были доказать, вот и напишите, что же именно вы доказали.)












123


Проверка: Проверено: ______________________(Оценка и/или подпись преподавателя.)

Работу проверяет преподаватель. Он вносит исправления, ставит оценку, подписывает работу.

 




























124
Лабораторная работа №1
Ознакомление с методикой измерения твёрдости по Бринеллю и Роквеллу
(объяснение темы)

Существует довольно большое количество различных механических характеристик металла, которые учитываются при производстве различных деталей. Многие из них зависят от химического состава материала, другие от особенностей эксплуатации.
Измерение твердости металла проводится чаще других испытаний, так как это качество во многом определяет особенности эксплуатации материала. Рассмотрим особенности определения твердости подробнее.
Понятие твердости
Твердость – свойство материалов, характеризующее способность проникновения одного, более твердого, тела в другое. Также эта характеристика определяет устойчивость к пластической деформации или разрушению поверхностных слоев при оказании сильного давления.
• Измеряется показатель в самых различных единицах в зависимости от применяемого метода.

Измерение твердости по Бринеллю
Чаще всего проводится измерение твердости по Бринеллю. Этот метод регламентирован ГОСТ 9012. К особенностям испытания металлов и сплавов подобным методом можно отнести следующие моменты:
1. В качестве тела, которое будет оказывать воздействие на испытуемый образец, используется стальной шарик.
2. Для тестирования применяется шарик с определенным диаметром, который изготавливается из закаленной стали. К нему прилагается постоянно нарастающая нагрузка.
3. Главным условие применения этого метода тестирования металлов и сплавов является то, что шарик должен изготавливается из более твердого материала, чем
125
Лабораторная работа №1
Ознакомление с методикой измерения твёрдости по Бринеллю и Роквеллу
(объяснение темы)

испытуемый образец.
4. После завершения теста проводится измерение полученного отпечатка на поверхности.
5. Данный способ позволяет получить данные, которые указываются в HB. Именно это обозначение сегодня встречается чаще других в различной справочной документации.
6. Для удобства применения данного способа были созданы специальные таблицы, которые основаны на зависимости диаметрального размера шарика, твердости и полученного отпечатка.

Измерение твердости по Роквеллу
Данный метод регламентируется ГОСТ 9013. Для его проведения используется специальный прибор для измерения твердости, который позволяет создать две последовательные нагрузки, прилагаемые к поверхности образца. К особенностям проведения подобного теста можно отнести:
1. Сначала оказывается предварительная нагрузка, после чего добавляется вторая.
2. После выдержки под общей нагрузкой в течении 3-5 секунд вторая снимается, проводится замер глубины отпечатка, затем снимается предварительная нагрузка.
3. Измерение полученных данных проводится в условных единицах, которые равны осевому смещению индикатора на 0,002.
4. Определяется число твердости по Роквеллу по специальной шкале прибора.
5. Форма применяемого индикатора может существенно отличаться. Именно поэтому было введено несколько типов измерительных шкал, которые соответствуют









126
Лабораторная работа №1
Ознакомление с методикой измерения твёрдости по Бринеллю и Роквеллу
(объяснение темы)
 
определенной форме индикатора.
6. Для обозначения полученной величины могут применяться обозначения HIRA, HRC, HRB. Они соответствуют форме применяемого индикатора и шкалы обозначения.
В качестве индикатора могут использоваться стальной шарик и два алмазных конуса различного размера. Этот метод измерения твердости закаленных деталей проводится только при применении алмазного конуса меньшего размера, предварительная оказываемая нагрузка составляет 10 кгс, основная 50 кгс. За счет предварительной нагрузки исключается вероятность того, что из-за упругости материала полученные значения будут менее точными. Кроме этого, предварительная нагрузка позволяет проводить измерение твердости металлов и сплавов, которые прошли предварительную термическую обработку.





















127
Лабораторная работа №2
Изучение конструкции и использование современных твердомеров
(объяснение темы)

В некоторых сферах деятельности необходимо применять контроль твердости материалов – твердометрия. Для ее проведения используется специальный прибор – твердомер, который позволяет измерить твердость изделия, не разрушая структуру материала.
Твердомеры используются и для проверки твердости входящих на производство заготовок, и для контроля качества уже готовой продукции, в лабораторных исследованиях конструкций и материалов, при их разработке, в машиностроительной и железнодорожной промышленности, исследовательских центрах и институтах, энергетических отраслях.
Устройство и характеристики
Принцип работы твердомера состоит в измерении различных показателей (в зависимости от вида прибора) при механическом воздействии на материал.
По результатам этих измерений и проводится оценка твердости материала.
В зависимости от различных параметров заготовки, например, размеров, конструкции, свойств материала, для контроля твердости могут быть использованы стационарные или портативные твердомеры.
Их конструкция отличается, в зависимости от используемого метода исследования.
Портативные модели используют в тех случаях, когда невозможно применение стационарных вариантов, например, если детали заготовки слишком велики, либо же из-за их большой массы, когда объект исследования невозможно транспортировать в лабораторию.
Твердомеры состоят из нескольких основных элементов:

128
Лабораторная работа №2
Изучение конструкции и использование современных твердомеров
(объяснение темы)

• Корпус с вычислительной электроникой.
На нем имеется элементы управления, дисплей для вывода результата измерений и отображения настроек.
На стационарных вариантах может быть вмонтирован микроскоп.
• Наковальня (для стационарных вариантов) – площадка, на которую устанавливается исследуемый образец.
• Датчик с индентором – элемент механического воздействия на образец с регистратором силы этого воздействия.
В портативных вариантах соединен с корпусом гибким проводом, либо же жестко.
Существуют беспроводные модели.
Материал
Корпус, наковальня и все подвижные элементы стационарного прибора изготавливаются, как правило, из металла или прочного пластика.
Портативные устройства практически все пластиковые с герметичным корпусом.
Модели, рассчитанные на использование в полевых условиях, водонепроницаемы, и имеют резиновые накладки, защищающие прибор от ударов.
Размеры и вес
Вес некоторых стационарных твердомеров превышает 200кг, а их высота и длинна доходят до 1 м и более.
Подразумевается, что эти измерительные приборы будут установлены неподвижно, так что их размеры и масса не имеют какого-либо влияния на удобство использования.
Для портативных приборов, кроме точности замеров, важными показателями являются габариты и вес.
Переносные модели весят, как правило, 150 – 200 г (около 500 г в металлическом корпусе).
129
Лабораторная работа №2
Изучение конструкции и использование современных твердомеров
(объяснение темы)

Их габаритные размеры сравнимы с рацией, инженерным калькулятором или портативным радиоприемником.
Для транспортировки используется ударопрочный кейс.
Память
Хороший портативный твердомер способен хранить показатели одновременно нескольких предыдущих замеров прибора.
Для этого он оборудован встроенной памятью.
Для переноса показателей из памяти прибора на компьютер, он может быть оснащен стандартным USB-интерфейсом.
Виды твердомеров, назначение и методы измерения твердости
Размеры этих измерительных инструментов оказывают непосредственное влияние на их классификацию, так для измерения твердости материалов приборы делятся на:
Стационарные
Имеют большие габариты и вес, используются в лабораториях для проведения измерений с минимальными погрешностями.
Портативные (переносные) твердомеры
Приборы с небольшой массой и габаритами.
Универсальные
Эти приборы могут использовать несколько методов определения твердости материала.
Применение каждого из перечисленных приборов ограничено в силу свойств контролируемых материалов.
Методам определения твердости соответствует одноименная шкала.


























130
Лабораторная работа №3
Испытания на ударную вязкость
(объяснение темы)


МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЯ
При испытании металлов на удар определяют ударную вязкость, которую обозначают КС. Ударная вязкость КС - это отношение работы К разрушения стандартного образца к площади его поперечного сечения F в месте надреза:
КС= K/F, Дж/м2
В зависимости от вида концентратора в образце (U, V, Т) в обозначении ударной вязкости вводят третий индекс, согласно виду концентратора: KCU, KCV, КСТ. Испытание на ударную вязкость проводят на копрах маятникового типа, как показано на схеме.
 
Стандартный образец устанавливают на опорах стоек копра так, чтобы удар маятника 2 приходился против надреза. Маятник массой G при помощи специальной рукоятки поднимают на высоту Н в верхнее исходное положение I. При падении маятник ударяет по образцу, разрушает его и

131
Лабораторная работа №3
Испытания на ударную вязкость
(объяснение темы)

поднимается в положение II -высоту h. Для остановки маятника имеется тормоз.
Если запас потенциальной энергии маятника обозначить через GH, то работа, затраченная на деформацию и разрушение образца, равна разности энергии маятника в его положениях I и II (до и после удара), т. е.:
К = GH -Gh = G(H - h)
Выразив высоту маятника в положении до и после удара через силу маятника l и углы ; и ;, получим выражение для определе¬ния работы, затраченной на деформацию и разрушение образца:
К= Gl (cos ; - cos ;),
где ; — угол начального подъема маятника; ; — угол подъема маят¬ника после разрушения образца, фиксируемый на шкале 3. Масса груза и длина маятника известны. Угол ; является величиной постоянной. Зная угол ; по результатам испытаний, опре¬деляют работу К и ударную вязкость КС.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ ПРИ ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Ударная вязкость является показателем надежности работы металла в критических условиях, связанных с проявлением концентрации напряжений. Факторами, вызывающими концентрацию напряжений является высокая скорость нагружения, геометрические концентраторы и понижение температуры. С понижением температуры ударная вязкость снижается, поэтому, наряду с испытаниями при нормальной температуре, применяются ударные испытания с предварительным охлаждением до температур от -400С до -800С.
Для охлаждения металла применяются камеры холода, источником низкой температуры в которых, может являться жидкий азот или спирт.
Самое простое устройство для охлаждения стали –
132
Лабораторная работа №3
Испытания на ударную вязкость
(объяснение темы)

емкость, наполненная керосином и сухим льдом. Определенная пониженная температура достигается изменением количества сухого льда в смеси.


























133
Лабораторная работа №4
Изучение структуры и свойств отожженной стали
(объяснение темы)


Из диаграммы состояния Fe – Fe3C видно, что техническое железо может быть однофазным (Ф) или двухфазным (Ф+Ц3). Округлые зерна феррита при протравлении шлифа 4-6- процентным раствором азотной кислоты в спирте имеют цвет светлой солому. Светло-голубой Ц3 располагается в виде тонких включений по границам зерен феррита. Феррит мягок и пластичен
( ). Цементит тверд (;800 HB) и хрупок, разрушение при растяжении происходит практически без удлинения образца.
В структуре сталей по мере увеличения содержание углерода возрастает массовая доля цементита и соответственно уменьшается доля феррита. Это приводит к повышению твердости прочности стали, к снижению е пластичности, изменению физических и технологических свойств. Таким образом, структура сталей зависит от содержания углерода.
Доэвтектоидные стали содержат С<0.8% и состоит из феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна). Пропорционально увеличению в них содержания углерода растет доля перлита (см. рис.).
Общее количество углерода в стали равно: C = Cферрита + Cперлита = Cперлита
В последнем, находится практически весь углерод стали, т.к. в феррите при комнатной температуре углерода крайне мало (10-7%). Если допустить, что значения плотности феррита и цементита соизмеримы, то по структуре стали, находящейся в равновесном состоянии, можно определить содержание в ней углерода. Для этого при любом рекомендуемое увеличение микроскопа определяется площадь поверхности шлифа стали, занятой перлитом.
Эвтектоидной называется сталь, содержащая 0,8 %






134
Лабораторная работа №4
Изучение структуры и свойств отожженной стали
(объяснение темы)


(перламутр) является двухфазной структурной составляющей, представляющей собой смесь феррита и цементита пластинчатого (см. рис.) или зернистого (см. рис.) строения. Пластинчатый перлит состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Они образуются при температуре 727 0С, (точка S см. рис.) на границах зерен исходной высокотемпературной фазы (аустенита) и растут одновременно по направлению от границ к центру аустенитного зерна. В результате аустенитное зерно разделяется на несколько частей с определенной, но различной относительно друг друга, ориентировкой взаимно параллельных пластинок феррита и цементита. Каждая такая часть представляет собой перлитное зерно.
Заэвтектоидные стали содержат от 0,8 до 2,14% С и имеют структуру П+Ц2. Темные перлитные участки окружены более или менее сплошной светлой сеткой цементита вторичного (см. рис.), толщина которой увеличивается с повышением содержания углерода в стали. Отличительными особенностями сетки цементита вторичного от сетки феррита избыточного в доэвтектоидных сталях с повышенным содержанием углерода являются разобщенность зерен феррита и их стремление к округлению.
Таким образом, феррит и цементит встали при обычном травлении (4% раствором HNO3 в спирте) видны в виде светлых составляющих. Для установления фазового состава светлой сетки вокруг перлитных участков шлиф переполировывают и травят раствором пикрата натрия, который окрашивает цементит в черный цвет и не действует на феррит.










135
Лабораторная работа №5
Изучение структуры и свойств чугунов
(объяснение темы)


Основные понятия
Железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода, называются чугунами.
Чугун очень распространен в машиностроении, вследствие хороших литейных свойств и более низкой стоимости, чем сталь.
В зависимости от состояния углерода и его формы чугуны подразделяются на белый, серый, высокопрочный и ковкий. Кроме того, имеются легированные чугуны со специальными свойствами: жаростойкими, износостойкими, коррозионно-стойкими и др.
1. Белый чугун
Чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита, называется белым. Он имеет белый блестящий излом. Основой для изучения микроструктуры белого чугуна является диаграмма «железо – цементит».
Белые чугуны делят на доэвтектические (менее 4,3%С), эвтектические (4,3%С), заэвтектические (более 4,3%С). Белый чугун имеет в своей структуре большое количество цементита (в эвтектике-ледебурите 64% цементита), поэтому он тверд и хрупок, плохо обрабатывается режущим инструментом (твердость цементита НВ).
Как конструкционный материал белый чугун имеет ограниченное применение, в основном для деталей, работающих в тяжелых условиях износа, у которых только поверхностный слой рабочих поверхностей отбелен в результате быстрого охлаждения (щеки дробилок, шары мельниц, катки бегунов и т. п.).
2. Серый чугун
Серый чугун представляет собой сплав Fe-С-Si с постоянными примесями Mn, P и S. В сером чугуне большая
136
Лабораторная работа №5
Изучение структуры и свойств чугунов
(объяснение темы)

часть углерода или весь углерод находится в виде графита. В поле зрения микрошлифа графит имеет форму искривленных пластинок. Наиболее широкое применение получили чугуны, содержащие 3,0 - 3,7%С.
Чем выше содержание углерода, тем больше образуется графита и тем ниже механические свойства чугуна. Содержание кремния в чугуне от 1,0 до 2,6%. Кремний способствует процессу графитизации, действуя в том же направлении, что и замедления скорости охлаждения отливок.
Количество марганца в сером чугуне не превышает 0,5 - 1,1%. Марганец препятствует графитизации.
Сера ухудшает механические и технологические свойства чугуна, поэтому ее содержание ограничивают до 0,15%. В сером чугуне сера образует сульфиты FeS и MnS. Содержание фосфора в сером чугуне обычно 0,2%.
Серый чугун – хрупкий. Относительное удлинение при растяжении независимо от структуры металлической основы не превышает 0,5%. Твердость чугуна НВ определяется в основном свойствами металлической основы.
Чугуны марок СЧ25 и выше обычно перед разливкой модифицируют 75%-ным ферросилицием (FeSi). После этого в перлите наблюдается небольшое количество изолированных пластинок графита средней величины.
3. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом
Отливки из высокопрочного чугуна широко используют в различных отраслях машиностроения для корпусных деталей, для коленчатых валов вместо стальных и т. д.
Шаровидный графит меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит. Металлическую основу в высокопрочных чугунах можно получать со всеми известными структурами.

137
Лабораторная работа №5
Изучение структуры и свойств чугунов
(объяснение темы)

Для получения шаровидного графита чугун модифицируют, т. е. обрабатывают расплав сфероидизирующими металлами (Mg, Ca, Се и др.) и их смесями с другими металлами. Чаще всего применяют магниевые лигатуры с никелем или ферросилицием.
Обычный состав чугуна при толщинах отливок до 50 мм: 3,2-3,8% С; 1,9-2,9% Si; 0,2-0,7% Мn; до 0,1% Р; до 0,02% S. Для получения заданных свойств в отливках с большей толщиной стенки (до 100 мм и более) уменьшают содержание С и Si.
Для получения чугуна высоких марок (ВЧ60 - ВЧ100) используют легирование небольшим количеством Ni и Сu (около 0,5% каждого) и упрочняющую термическую обработку. Твердость чугуна составляет от НВ для ВЧ35, до НВ для ВЧ 100.
4. Ковкий чугун
Отливки из ковкого чугуна получают путем длительного графитизирующего отжига отливок из белого чугуна. Они характеризуются повышенными значениями временного сопротивления и относительного удлинения вследствие образования при отжиге хлопьевидного графита, более компактного, чем в сером чугуне с пластинчатым графитом.
Ковкий чугун применяется преимущественно для отливок с толщиной стенок от 3 до 50 мм, что связано со стремлением обеспечить безусловное получение структуры белого чугуна при литье по всему сечению.
Рекомендуемый состав ковкого чугуна: 2,4 - 2,9% С; 1,0 - 1,6% Si; 0,2 - 1,0% Мn; до 0,10 - 0,18% Р; до 0,06 - 0,20% S.
5. Антифрикционный чугун
Антифрикционные свойства для ряда чугунов весьма высокие и в некоторых условиях могут быть лучше, чем у бронз. Марки антифрикционных чугунов предусмотрены ГОСТ 1марок).





138
Лабораторная работа №5
Изучение структуры и свойств чугунов
(объяснение темы)

В качестве антифрикционных может быть использована каждая из трех разновидностей чугуна: серый с пластинчатым графитом, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий. Для антифрикционных чугунов ГОСТ регламентирует не механические свойства, а химический состав по легирующим элементам и микроструктуру, а также условия применения различных марок, т. е. предельные режимы работы.





























139
Лабораторная работа №6
Изучение структуры и свойств цветных металлов и сплавов
(объяснение темы)


Краткие сведения из теории.
Цветные металлы и сплавы образуют особую группу конструкционных материалов. Прочность и твердость цветных сплавов невелика, даже после термообработки (закалка + старение). Некоторые сплавы, например, на основе меди не подвергаются термической обработке из-за отсутствия должного эффекта.
Основное отличие цветных металлов от сплавов на основе железа - повышенная коррозионная стойкость, высокие антифрикционные свойства и у сплавов на основе алюминия - высокая удельная прочность.
Медь и ее сплавы
Технически чистая медь (табл. 1) имеет ряд ценных свойств: высокая пластичность, высокая электро- и теплопроводность, небольшая окисляемость. Эти свойства позволяют использовать медь, например, в электротехнической промышленности. Кроме того, медь является основой двух больших групп сплавов - латуней и бронз.
 

140
Лабораторная работа №6
Изучение структуры и свойств цветных металлов и сплавов
(объяснение темы)
Микроструктура и свойства латуней
Латуни представляют собой сплавы меди с цинком (ГОСТ 15527-70), содержащие до 45% цинка.
При комнатной температуре практически применяемые латуни состоят из ; - кристаллов (;- твердый раствор цинка в меди) или смеси ; и ; - кристаллов (;- твердый раствор на базе соединения СuZn с электронным типом связи). Цинк повышает прочность и пластичность сплавов. Максимальную пластичность имеет латунь, содержащая 30.
Марки латуней Л90, Л80, Л68 и др. Цифра, стоящая после буквы Л, указывает на содержание в латуни меди.
;- латуни содержат меди не менее 61%. Марка этих латуней Л62, Л68 и др. Из таких латуней изготавливают тонкие листы, полоски ленты и другие полуфабрикаты, из которых штампуют различные детали. ;- латуни с высоким содержанием меди (Л80) имеют цвет золота, и их применяют для ювелирных и декоративных изделий. Латуни, содержащие 80% Сu и более называют томпаком.


















141
Лабораторная работа №7
Микроанализ титановых сплавов
(объяснение темы)


Микроскопический анализ (микроанализ) металлов и сплавов заключается в исследовании строения (структуры) металла с помощью оптического или электронного микроскопа. Строение металлов и сплавов, наблюдаемое при помощи микроскопа, называется микроструктурой.
Между микроструктурой металлов и их свойствами существует четкая связь. Микроанализ позволяет определить форму и размеры отдельных зерен и фаз, а также их содержание, относительное расположение, выявить наличие имеющихся в металле включений, микродефектов и судить о свойствах металлов и сплавов, о предшествующей обработке этих материалов (литье, деформирование, термическая обработка). Микроанализу подвергают специально подготовленные образцы, называемые микрошлифами.
Важнейшими преимуществами титановых сплавов перед другими конструкционными материалами являются их высокие удельная прочность и жаропрочность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Кроме того, титан и его сплавы хорошо свариваются, парамагнитны и обладают некоторыми другими свойствами, имеющими важное значение в ряде отраслей техники. Перечисленные качества титановых сплавов открывают большие перспективы их применения в тех областях машиностроения, где требуются высокая удельная прочность и жаропрочность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Это относится, в первую очередь, к таким отраслям техники как авиастроение, ракетостроение, судостроение, химическое, пищевое и транспортное машиностроение.
Классификация
Титановые сплавы целесообразно разделить на три большие группы:

142
Лабораторная работа №7
Микроанализ титановых сплавов
(объяснение темы)

Конструкционные и высокопрочные титановые сплавы представляют собой - твердые растворы, что позволяет им обеспечивать оптимальное соотношение характеристик прочности и пластичности.
Жаропрочные титановые сплавы представляют собой - твердые растворы с большим или меньшим количеством химического соединения (или начальной стадии его образования), что обеспечивает им повышенную жаропрочность при минимальном снижении пластичности.
Титановые сплавы на основе химического соединения - представляют интерес как жаропрочный материал с низкой плотностью, способный конкурировать с жаропрочными никелиевыми сплавами в определенном температурном интервале.
В настоящее время титан - один из важнейших конструкционных металлических материалов. Для этого титану в течение 200 лет пришлось пройти путь от признания его непригодным в конструкционных целях до всеобщего поклонения как перед одним из самых перспективных и вечных металлов.
ВТ1-00 и ВТ1-0
Технический титан. Металлургическая промышленность поставляет полуфабрикаты технического титана двух марок ВТ1 - 00 и ВТ1 - 0 отличающихся содержанием примесей (кислорода, азота, углерода, железа, кремния и др.). Это материалы малой прочности, причем титан ВТ1 - 00, содержащий меньше примесей, отличается меньшей прочностью и большей пластичностью. Основное достоинство технического титана - высокая технологическая пластичность, что позволяет получать из него даже фольгу.
Сплав ВТ5 (ВТ5Л)
Сплав ВТ5 (ВТ5Л) легирован только алюминием. Алюминий относится к числу наиболее распространенных легирующих
143
Лабораторная работа №7
Микроанализ титановых сплавов
(объяснение темы)

элементов в титановых сплавах.
Сплав ВТ5-1
Сплав ВТ5-1 относится к системе Ti-Al-Sn. Олово улучшает технологические свойства сплавов титана с алюминием, замедляет их окисление, повышает сопротивление ползучести. Этот сплав, по прочностным характеристикам относится к материалам средней прочности, мало чувствителен к надрезу, имеет удовлетворительный предел выносливости, сохраняет значительную жаропрочность до 450 °С.
Сплав ВТ5-1 более технологичен, чем ВТ5, и из него изготавливают все виды полуфабрикатов, получаемых обработкой давлением, в том числе: листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и проволоку. Сплав сваривается всеми видами сварки, причем сварные соединения и основной металл почти равнопрочны. Сплав термически не упрочняется.
Сплав ПТ-7М
Сплав ПТ-7М относится к малолегированным, малопрочным и высокопластичным сплавам системы Ti-Al-Zr. Он довольно легко деформируется не только при повышенных, но и комнатной температуре, что обусловлено небольшим содержанием в нем алюминия.















144
Задания к лабораторным работам

 
Для выполнения лабораторных работ требуется прочитать и принять требования, которые были приложены на странице тестированного учебного пособия «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» на странице 122
;Для проведения лабораторной работы дается 60 минут;
;Работа должна быть выполнена без исправлений и помарок на чистом листе офисной бумаги формата А4, чёрной или синей гелиевой ручкой;
;Критерии выставления отметки определяется преподавателем дисциплины.
 











145
Лабораторная работа №1
Ознакомление с методикой измерения твёрдости по Бринеллю и Роквеллу
 

Задание 1. Дайте конкретное определения понятий:
Твёрдость – …
Механическая характеристика металла – …
Материал – …
Металл – …
Объект исследований – …
Задание 1.1. Расшифровать аббревиатуру и раскрыть её смысл:
HB – …
HIRA –  …
HRC –  …
HRB –  …
КГС – …
Задание 2. Необходимо описать и провести наглядно (если это позволяет оборудование) метод измерения по Бринеллю.
Задание 2.1. Необходимо описать и провести наглядно (если это позволяет оборудование) метод измерения по Роквеллу.
Задание 3. Написать небольшое эссе на тему лабораторной работы и провести параллели между этими опытами.
Задание 4. Нарисовать и объяснить преподавателю опыты, измерения, которые Вы поняли в ходе проведения Вами лабораторной работы.
Задание 5. Написать как минимум 2-3-и предложения по данной работе, которые Вы могли бы узнать в ходе познания вне урочное время.



146
Лабораторная работа №2
Изучение конструкции и использование современных твердомеров


Задание 1. Дайте конкретное определение понятий:
Твердомер – …
Твёрдость – …
Оценка твёрдости – …
Индикатор – …
Стационарный – …
Интерфейс – …
Твердометрия – …
Наковальня – …
Задание 2. Необходимо описать устройство и характеристики современных твердомеров в широком понятии
Задание 3. Из чего состоит современный твердомер, его основные элементы.
Задание 4. Стационарные твердомеры (дать определение и написать названия нескольких)
Задание 5. Память, размер, вес современных твердомеров, описать не менее чем в 10-ти предложениях.




















147
Лабораторная работа №3
Испытания на ударную вязкость


Задание 1. Дайте конкретное определения понятий:
Маятник – …
Удар – …
Ударная вязкость – …
Образец – …
Задание 1.1. Расшифровать аббревиатуру и раскрыть её смысл:
КС – …
F – …
K – …
Задание 2. Необходимо выяснить, что это за формула и для чего она нужна, так же нужно ИСПРАВИТЬ ошибки и каждой из них:
К = GH -Gh = G(h - H) – …
К= Gl (cos ; - cos ;) – …
Задание 3. Необходимо описать, а так же выполнить схематично принцип испытания на ударную вязкость.
Задание 4. Провести опыт на ударную вязкость (если это позволяет оборудование).
Задание 5. Написать небольшое эссе на тему данной лабораторной работы, полезность испытания в современной деятельности человека.

















148
Лабораторная работа №4
Изучение структуры и свойств отожженной стали


Задание 1. Дайте конкретное определения понятий:
Доэвтектоидные стали – …
Заэвтектоидные стали – …
Эвтектоидные стали – …
Смесь – …
Задание 2. Необходимо указать для чего нужны следующие элементы:
Пикрат натрия – …
Феррит – …
Углерод – …
Цементит – …
Задание 3. Общее количество углерода в стали равно (дать формулу):
C= – …
Задание 4. Описать структуру и свойства отожжённой стали.
Задание 5. Написать эссе (5-7 предл.) на тему данной лабораторной работы, полезность изучения структуры и свойств отожженной стали в современном мире.














149
Лабораторная работа №5
Изучение структуры и свойств чугунов


Задание 1. Дайте конкретные определения понятий:
Чугун – …
Углерод – …
Жаростойкость – …
Износостойкость – …
Коррозийная стойкость – …
Задание 2. Необходимо назвать по меньшей мере 4-ре вида чугуна.
Задание 2.1. Описать те чугуны, которые Вы написали в предыдущем задании (3-5 предл.)
Задание 3. Полезность чугуна в современном мире (5-10 предложений)
Задание 4. Если позволяет оборудование – уметь отличать все виды чугунов друг от друга, а соответственно их от других материалов.























150
Лабораторная работа №6
Изучение структуры и свойства цветных металлов и сплавов


Задание 1. Дайте конкретные определения понятий:
Цветные металлы – …
Медь – …
Удельная прочность – …
Задание 2. Назвать некоторых представителей цветных металлов.
Задание 3. Какие существуют большие группы металлов?
Задание 4. Как ставится маркировка на (латунь)?
Задание 5. Из каких латуней изготавливают тонкие листы, полоски ленты и другие полуфабрикаты?






























151
Лабораторная работа №7
Микроанализ титановых сплавов


Задание общее для всех вариантов.
Необходимо подготовить дома несколько презентаций, описывающих данную тему. Презентации должны быть выполнены в альбомной ориентации и подписаны тем студентом, который её выполнял.
При предоставлении презентации оценивается умение объяснять данную тему лабораторной работы без подручных средств.
Критерии выставления отметки определяет сам преподаватель дисциплины.

 

















152
Оглавление               
Предисловие……………………………………………………………………………… 3
Введение. Что такое материаловедение? ………………………………………………4
Направление развития материаловедения ……………………………………………..6
Раздел 1.
Физико-химические закономерности формирования структуры материалов
Тема 1.1.1
Строение и свойства материалов …………………………………………………………8
Строение и свойства чистых металлов …………………………………………………..10
Классификация металлов …………………………………………………………………11
Кристаллическое строение металлов …………………………………………………….12
Типы кристаллических решеток ………………………………………………………….13
Механические методы испытаний ………………………………………………………..15
Тема 1.3
Диаграмма состояния металлов и сплавов ………………………………………………16
Тема 1.3.1
Понятие о сплавах. Фазы в металлических сплавах …………………………………….18
Тема 1.3.2
Диаграмма состояния железо-углерод ……………………………………………………20
Физические и механические свойства сплавов в равновесном состоянии…………….. 22
Тема 1.4
Формирование структуры деформированных металлов и сплавов………………….. .25
Тема 1.5
Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов…………………... 31
Тема 1.5.1
Определение и классификация видов термической обработки ………………………..35
Тема 1.5.2
Сущность и виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск ….39
Тема 1.5.3
Химико-термическая обработка………………………………………………………….. 43
Сущность процесса химико-термической обработки …………………………………....44
Раздел 2.
Тема 2.1.
Конструкционные материалы ……………………………………………………………..45
Тема 2.1.1
Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам …………............48
Тема 2.1.2
 Методы повышения конструктивной прочности материалов ………………………….50
Тема 2.1.3
 Углеродистые и легированные стали. Классификация. Маркировка ………………….52
Тема 2.2
Материалы с особыми технологическими свойствами ………………………………….56

153
Тема 2.2.1
Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием………………………………….. 58
Тема 2.2.2
Медные сплавы: общая характеристика и классификация. Латуни и бронзы…… ….61
Тема 2.3
Износостойкие материалы…………………………………………………………….. ..65
Тема 2.3.1
Классификация износостойких материалов. Антифрикционные материалы ……….67
Тема 2.4
 Материалы с высокими упругими свойствами ……………………………………….70
Тема 2.4.1
Классификация материалов с высокими упругими свойствами. Рессорно-пружинные стали ………………………………………………………………………………………72
Тема 2.5
 Материалы с малой плотностью………………………………………………………. 75
Тема 2.5.1
Сплавы на основе алюминия…………………………………………………………… 76
Тема 2.5.2
Сплавы на основе магния………………………………………………………………...78
Тема 2.6
 Материалы с высокой удельной прочностью …………………………………………80
Тема 2.6.1
Титан и сплавы на его основе. Характеристика титановых сплавов. Особенности обработки…………………………………………………………………………………81
Тема 2.7
Материалы, устойчивые к воздействиютемпературы и рабочей среды ……………..83
Тема 2.7.1
 Виды коррозии. Коррозионно-стойкие материалы. Жаростойкие и жаропрочные материалы ………………………………………………………………………………...86
Тема 2.8
Неметаллические материалы ……………………………………………………………91
Тема 2.8.1
Неметаллические материалы, их классификация, достоинства и недостатки. Область применения ……………………………………………………………………………….95
Раздел 3.
Тема 3.1
Материалы с особыми магнитными свойствами……………………………………. ...97
Тема 3.2
Материалы с особыми электрическими свойствами………………………………….. 99
Тема 3.2.1
Электрические свойства полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы ……………………………………………………………………………….101


154
Тема 3.2.2
Диэлектрики. Электроизоляционные лаки, эмали. Компаунды ……………………….104
Раздел 4.
Тема 4.1
Материалы для режущих и измерительных инструментов ……………………………107
Тема 4.1.1
Материалы для режущих и измерительных инструментов: углеродистые стали, быстрорежущие стали, твердые сплавы ………………………………………………...110
Раздел 5.
Тема 5.1
 Порошковые материалы …………………………………………………………………112
Тема 5.1.1
Порошковая металлургия. Свойства и применение порошковых материалов в промышленности ………………………………………………………………………….114
Тема 5.2
Композиционные материалы …………………………………………………………….116
Тема 5.2.1
Композиционные материалы, их классификация, достоинства и недостатки, применение в промышленности …………………………………………………………118
Приложение
Лабораторные работы……………………………………………………………………..122
Оформление ……………………………………………………………………………….122
Задания к лабораторным работам ………………………………………………………..145
Основные задания ………………………………………………………………………...146














155






 



Тестированное учебное издание
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Филатов К.А.
Бондаренко В.В.

Учебник

Редактор Филатов К.А.
Технический редактор Бондаренко В.В.
Компьютерная верстка Филатов К.А.
Корректоры Филатов К.А.
Бондаренко В.В.

Печать офсетная, Пописано на 14.10.2018г.
Формат 60х90/16
Тираж – безчисл. кол-во., Бумага SvetoCopy Плотность 80 гр./м. Толщина 104 мкм Жесткость MD, Mh 125 Жесткость CD, Mh 55 Шероховатость 250 мл/мин Белизна 146

Воскресенский колледж
2018г