Лекции по "Материаловедению"

По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются:

низкоуглеродистые (до 0,25 % С),

среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С)

высокоуглеродистые (0,6—0,85 % С).

Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с еще более низким содержанием серы и фосфора. Низкое содержание вредных примесей в высококачественных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А, например сталь У10А.

Углеродистые стали, содержащие 0,7—1,3 % С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Их маркируют У7, У13, где У означает углеродистую сталь, а цифра — содержание углерода в десятых долях процента.

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали 

Углерод является основным элементом, определяющим структуру  и свойства углеродистых сталей. Даже при малом изменении содержания углерод оказывает заметное влияние на изменение свойств сталей. С увеличением углерода в структуре стали растет содержание цементита. До 0,8 % С сталь состоит из феррита и перлита, более 0,8% С в структуре стали, кроме перлита, появляется структурно свободный вторичный цементит.

Феррит имеет низкую прочность, но пластичен. Цементит имеет  высокую твердость, но хрупок. Поэтому  с ростом содержания углерода увеличиваются  твердость и прочность и уменьшаются вязкость и пластичность стали.

Рост прочности происходит до 0,8-1,0% углерода. При увеличении содержания углерода более 0,8% уменьшается и  пластичность, и прочность. Это связано  с образованием сетки хрупкого цементита  вокруг перлитных зерен. Поэтому  заэвтектоидные стали подвергают специальному отжигу на зернистый перлит.

Углерод оказывает существенное влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием. С увеличением  содержания углерода ухудшается свариваемость, а также способность деформироваться в горячем, и особенно в холодном состоянии.

В углеродистой стали  содержится до 0,8 % Мn и до 0,4% Si. Марганец и кремний, помимо раскисления, в  этих количествах полностью растворяются в феррите и упрочняют его, увеличивают прокаливаемость стали, а также уменьшают вредное влияние серы.

12. Сырые,  высокопрочные и ковкие чугуны.

Чугун – сплав железа (Fe>90%) с углеродом (C от 2,14% до 6,67%).

 Углерод может содержаться  в чугуне в виде графита  (С) или цементита (Fe3C).

 Также чугун содержит примеси кремния, марганца, фосфора и серы.

 Чугуны со специальными  свойствами содержат также легирующие  элементы – хром, никель, медь, молибден  и др.

 Чугун – наиболее  широко применяемый материал  для изготовления литых деталей,  используемых при относительно невысоких напряжениях и малых динамических нагрузках. Преимущества чугуна в сравнении со сталью – высокие литейные свойства и небольшая стоимость. Чугуны также лучше обрабатываются резанием, чем большинство сталей (кроме автоматных сталей), но плохо свариваются, обладают меньшей прочностью, жесткостью и пластичностью.

 В зависимости от  состояния углерода в чугуне  различают:

белый чугун

серый чугун(ГОСТ 1412 - "Чугун  с пластинчатым графитом для отливок")

ковкий чугун(ГОСТ 1215 - "Отливки из ковкого чугуна")

высокопрочный чугун(ГОСТ 7293 - "Чугун с шаровидным графитом для отливок")

Белый чугун

 В белом чугуне  весь углерод находится в связанном  состоянии в виде цементита  Fe3C.

 У белого чугуна  высокая износостойкость и твердость,  однако он хрупок и плохо обрабатывается резанием, поэтому в машиностроении они находят ограниченное применение и идут, в основном, в передел на сталь.

 По содержанию углерода  серый чугун подразделяют на:

Доэвтектический с содержанием  углерода от 2,14% до 4,3%

Эвтектический с содержанием углерода 4,3%

Заэвтектический с содержанием  углерода от 4,3% до 6,67%.

 В сером, ковком, высокопрочном чугунах весь углерод  или большая его часть находится  в виде графита различной формы  (их еще называют графитными).

Серый чугун

 В структуре серых чугунов графит пластинчатой формы.

 Серые чугуны содержат: 3,2-3,5% углерода, 1,9-2,5% кремния, 0,5-0,8% марганца, 0,1-0,3% фосфора и менее 0,12% серы.

 Отливки деталей  из серых чугунов получают  в кокилях – земляных или  металлических формах.

 Серый чугун находит  широкое применение в машиностроении. Ввиду невысоких механических  свойств у отливок из серого  чугуна и простоты получения  их применяют для изготовления  деталей менее ответственного  назначения, деталей, работающих  при отсутствии ударных нагрузок. В частности из них делают крышки, шкивы, станины станков и прессов.

 Пример обозначения  серого чугуна: СЧ32-52. Буквы обозначают  серый чугун (СЧ), первое число  обозначает предел прочности  при растяжении (32 кгс/мм2 или 320 МПа), второе число – предел прочности при изгибе.

Ковкий чугун

 В структуре ковких  чугунов графит хлопьевидной  формы.

 Ковкие чугуны содержат: 2,4-3,0% углерода, 0,8-1,4% кремния, 0,3-1,0% марганца, менее 0,2% фосфора, не более  0,1% серы.

 Ковкий чугун получают  из белого чугуна в результате нагрева и длительной выдержки. Эту процедуру называют графитизирующим отжигом или томлением.

 Пример обозначения  ковкого чугуна: КЧ45-6. Буквы обозначают  ковкий чугун (КЧ), первое число  - предел прочности при растяжении (45 кгс/мм2 или 450 МПа), второе – относительное удлинение в % (6%).

Высокопрочный чугун

 Высокопрочный чугун  содержит графит шаровидной формы.

 Он имеет наиболее  высокие прочностные свойства.

 Высокопрочный чугун  содержит: 3,2-3,8% углерода, 1,9-2,6% кремния, 0,6-0,8% марганца, до 0,12% фосфора и не более 0,3% серы.

 Высокопрочный чугун  получают путем модифицирования  (т.е. введения добавки-модификатора  – магния) жидкого расплава. Модификаторы  способствуют образованию графитных  включений шаровидной формы, благодаря  чему механические свойства такого чугуна приближаются к свойствам угеродистых сталей, а литейные свойства выше (но ниже, чем у серых чугунов).

 Из высокопрочных  чугунов изготавливают ответственные  детали для машиностроения - поршни, цилиндры, коленчатые валы, тормозные колодки. Также из высокопрочного чугуна изготавливают трубы.

 Пример обозначения  высокопрочного чугуна: ВЧ45-5. Буквы  обозначают высокопрочный чугун  (ВЧ), первое число обозначает  предел прочности при растяжении (45 кгс/мм2 или 450 МПа), второе –  относительное удлинение в %.

13.Металлическая  основа чугунов. Графитизирующий  отжиг.

Металлическая основа чугунов

Высокопрочный чугун .

Структура металлической основы определяет твёрдость чугуна. Графит чугуна бывает пластинчатым (серый чугун), хлопьевидным (ковкий чугун) и шаровидным (высокопрочный чугун). Чугун можно рассм как сталь, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. По мере округления графитных включений из «-» роль как надрезов металлической основы ¯, и механич св-ва чугуна . Округлённая форма графита достигается модифицированием. Модификаторами чугуна служат SiCa, FeSi, Al, Mg. При использовании в качестве модификатора Mg, вводимого перед разливкой в количестве до 0,5%, получают высокопрочный чугун

Ковкий чугун.

Микроструктура чугуна состоит из металлической основы и графитных включений. Св-ва чугуна зависят от св-в металлической основы и характера включений графита. Металлическая основа может быть перлитной, когда 0,8% С находится в виде цементита, а остальной С - в виде графита; феррито-перлитной, когда кол-во С в виде цементита <0,8%, и ферритной. Структура металлической основы определяет твёрдость чугуна. Графит чугуна бывает пластинчатым (серый чугун), хлопьевидным (ковкий чугун) и шаровидным (высокопрочный чугун). Чугун можно рассм как сталь, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. Название ковкие чугуны условно, изделия из них получают литьём, пластической деформации они не подвергаются. Ковкий чугун получают из белого путём графитизирующего отжига.

Серый чугун

 Микроструктура чугуна  состоит из металлической основы  и графитных включений. Св-ва  чугуна зависят от св-в металлической  основы и характера включений  графита. Металлическая основа  может быть перлитной, когда  0,8% С находится в виде цементита, а остальной С - в виде графита; феррито-перлитной, когда кол-во С в виде цементита <0,8%, и ферритной. Структура металлической основы определяет твёрдость чугуна. Графит чугуна бывает пластинчатым (серый чугун), хлопьевидным (ковкий чугун) и шаровидным (высокопрочный чугун). Чугун можно рассм как сталь, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу.

Графитизирующий отжиг

томление - одна из основных техноло-гических операций процесса получения  ковкого чугуна из белого специальной термичекой обработкой. Графитизирующий отжиг проводят в нейтральной или слабоокислительной среде. При полном графитизирующем отжиге получают ферритный (черносердечный) ковкий чугун. Типовой режим графитизирующего отжига состоит из пяти периодов (рис. Г-16): n1, - нагрев до 930-970° С, во время которого перлит + цементит превращаются в аустенит + цементит (П+Ц->А+Ц); n2 - выдержка при этой температуре [протекает реакция Fe3C-> Feγ+C или Ц->А+Г (Г-графит)]; n3 - охлаждение до температуры около 760° С, A+Г->П+Г; n4 - медленное контролируемое охлаждение со скоростью 5-8°С/ч до 700-720° С, при котором цементит перлита разлагается на феррит и графит Цп->Ф+Г; n5 - окончательное охлаждение до температуры выгрузки отливки из печи.

14.Закалка стали ( определение, назначение, режимы, разновидности, способы закалки)

Закалкой стали  называется операция термической обработки, заключающаяся в нагреве её по крайней мере выше критической точки Ac1(T.e. до аустенито-ферритного, аустенитного или аустенито-цементитного), выдержке и последующем охлаждении в различных средах с целью получения при комнатной температуре неустойчивых продуктов распада аустенита, а следовательно, повышения твёрдости и прочности.

Для углеродистых сталей точка Ас1 соответствует линии  на диаграмме «железо-цементит» и составляет 727°С, В связи с тем, что нагрев ниже этой температуры не приводит к изменению исходной отожженной структуры стали, последующее охлаждение с любой скоростью так же не изменяет ни структуры, ни свойств стали. Следовательно такая операция не является закалкой.

В большинстве случаев  основная цель закалки - повышение твёрдости  и прочности - достигается превращением аустенита в одну из самых прочных  структур - мартенсит. Его образование  требует быстрого охлаждения с температуры закалки.

Способы и режимы закалки стали.

1. Закалка в одном  охладителе (V1).

Нагретую до нужной температуры  деталь переносят в охладитель и  полностью охлаждают. В качестве охлаждающей среды используют:

воду – для крупных  изделий из углеродистых сталей;

масло – для небольших деталей простой формы из углеродистых сталей и изделий из легированных сталей.

Основной недостаток – значительные закалочные напряжения.

2. Закалка в двух  сферах или прерывистая (V2).

Нагретое изделие предварительно охлаждают в более резком охладителе (вода) до температуры ~ 3000C и затем  переносят в более мягкий охладитель (масло).

Прерывистая закалка  обеспечивает максимальное приближение к оптимальному режиму охлаждения.

Применяется в основном для закалки инструментов.

Недостаток: сложность  определения момента переноса изделия  из одной среды в другую.

3. Ступенчатая закалка  (V3).

Нагретое до требуемой  температуры изделие помещают в  охлаждающую среду, температура которой на 30 – 50oС выше точки МН и выдерживают в течении времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению. Время изотермической выдержки не превышает периода устойчивости аустенита при заданной температуре.

В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли или металлы. После изотермической выдержки деталь охлаждают с невысокой скоростью.

Способ используется для мелких и средних изделий.

4. Изотермическая закалка  (V4).

Отличается от ступенчатой  закалки продолжительностью выдержки при температуре выше МН, в области промежуточного превращения. Изотермическая выдержка обеспечивает полное превращение переохлажденного аустенита в бейнит.При промежуточном превращении легированных сталей кроме бейнита в структуре сохраняется аустенит остаточный. Образовавшаяся структура характеризуется сочетанием высокой прочности, пластичности и вязкости. Вместе с этим снижается деформация из-за закалочных напряжений, уменьшаются и фазовые напряжения.

В качестве охлаждающей  среды используют расплавленные соли и щелочи.

Применяются для легированных сталей.

5. Закалка с самоотпуском.

Нагретые изделия помещают в охлаждающую среду и выдерживают  до неполного охлаждения. После извлечения изделия, его поверхностные слои повторно нагреваются за счет внутренней теплоты до требуемой температуры, то есть осуществляется самоотпуск. Применяется для изделий, которые должны сочетать высокую твердость на поверхности и высокую вязкость в сердцевине (инструменты ударного действия: мототки, зубила).