Учебно-методический комплекс по дисциплине «материаловедение» Учебно-методический комплекс Составитель icon

Учебно-методический комплекс по дисциплине «материаловедение» Учебно-методический комплекс Составитель


1 чел. помогло.
Смотрите также:
Учебно-методический комплекс по дисциплине «материаловедение» Учебно-методический комплекс...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «материаловедение» Учебно-методический комплекс...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Материаловедение» Специальность...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «материаловедение» Учебно-методический комплекс...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Инновационный менеджмент» Учебно-методический...
Учебно-методический комплекс по дисциплине землеведение учебно-методический комплекс...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «современные средства оценивания результатов...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «история техники» Учебно-методический комплекс...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «основы творческо конструкторской деятельности»...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Предпринимательство» Для специальности: 050506...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «уголовное право»...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Юридическая психология специальность «Юриспруденция»...



Загрузка...
страницы: 1   2   3   4   5   6   7   8
вернуться в начало
скачать
^

Краткие конспекты лекций по курсу «Материаловедение»


Лекция 1. Классификация и свойства материалов

1. Материаловедение – это наука, которая изучает строение и свойства металлов, сплавов и других конструкционных материалов. Изучение этого курса позволяет осуществлять рациональный выбор материала для отдельных деталей и изделий в целом.

Предметом изучения являются закономерные связи между составом, строением и свойствами конструкционных материалов.

2. Классификация материалов (см. рис.1).

Материалом называется вещество, обладающее необходимым комплексом свойств, для выполнения заданной функции отдельно или в совокупности с другими веществами.



Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержание до 2,14% углерода. Кроме того, в состав сплава обычно входят марганец, кремний, сера и фосфор; некоторые элементы могут быть введены для улучшения физико-химических свойств специально (легирующие элементы).

Стали, классифицируют по самым различным признакам. Мы рассмотрим следующие:

1. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые и легированные.

В свою очередь углеродистые стали могут быть:

a) малоуглеродистыми, т.е. содержащими углерода менее 0,25%;

б) среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,25 – 0,60%

в) высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60%

Легированные стали подразделяют на:

а) низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%

б) среднелегированные, в их состав входят от 2,5 до 10% легирующих элементов;

в) высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.

2. По назначению стали бывают:

  1. конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий.

  2. инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65% углерода.

  3. с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар.

  4. с особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.

3. В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора) стали подразделяют на:

  1. Стали обыкновенного качества, содержание до 0.06% серы и до 0,07% фосфора.

  2. Качественные - до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.

  3. Высококачественные - до 0.025% серы и фосфора.

  4. Особовысококачественные, до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.

4. По степени удаления кислорода из стали, т.е. по степени ее раскисления, существуют:

  1. спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами “сп” в конце марки (иногда буквы опускаются);

  2. кипящие стали - слабо раскисленные; маркируются буквами "кп";

  3. полуспокойные стали; обозначаются буквами "пс".

Свойства металлов подразделяют на физические, химические, технологические и механические.

Механические свойства отражают способность тела сопротивляться воздействию внешних механических сил-нагрузок: прочность, пластичность, упругость, вязкость, твердость, хрупкость.

Прочность – способность тела сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.

Пластичность – способность тела остаточно, не разрушаясь, изменять свою форму и размеры под действием внешних сил.

Вязкость – способность тела, пластически деформируясь, необратимо поглощать энергию введших сил.

Упругость – свойство твердого тела восстанавливать свою форму и объем после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточной деформации при местном контактном воздействии.

Хрупкость – способность тела разрушаться под действием внешних сил практически без пластической деформации.

Определяют механические свойства при статическом (как кратковременном, так и длительном) нагружении и динамическом нагружении, при циклическом нагружении и др.

Статическое нагружение характеризуется медленным приложением и плавным возрастанием нагрузки от нуля до некоторого максимального значения.

При динамических испытаниях нагрузка прилагается с большой скоростью (ударом).

При циклических испытаниях прилагается (статически или динамически) повторно-переменная (многократная) нагрузка, чаще всего в условиях изгиба или кручения (реже растяжения и сжатия).

Прочность характеризуется пределом текучести т и пределом прочности в (временным сопротивлением), учитывающимися при проведении инженерных расчетов: т характеризует сопротивление материала пластической деформации, в – разрушению.

Различают физический и условный пределы текучести.

^ Физический предел текучестит – минимальное напряжение, при котором пластическая деформация протекает при постоянной нагрузке. При деформации большинства технических металлов и сплавов не наблюдается площадки текучести, для них определяют условный предел текучести 0,2 – напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,2% (или другую, заданную) от начальной (расчетной) длины или другого размера образца.

^ Временное сопротивлениев – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, выдерживаемой образцом до разрушения.

Предел прочностив – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом в момент, предшествующий разрушению (нагрузка относится к истинной площади сечения образца – в месте разрушения).

Наиболее распространенными методами определения твердости являются методы Бринелля, Роквелла, Виккерса.

^ Ударную вязкость КС – способность материала сопротивляться разрушению под действием ударных нагрузок определяют при ударном приложении нагрузки. Испытания проводят чаще всего на маятниковом копре на стандартных образцах с надрезом. Наиболее широко используются образцы с U-образным надрезом (реже с V-образным). Обозначение ударной вязкости в этом случае КСU (КСV). Проведение испытаний при пониженных температурах позволяет установить склонность металла к хладноломкости – резкому возрастанию хрупкости.

^ Лекция 2. Кристаллизация металлов

Как известно, металлы и сплавы находятся в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. Процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Этот вид кристаллизации называется первичной кристаллизацией в отличие от вторичной кристаллизации (перекристаллизации), которая имеет место уже в твердом металле.

В отличие от аморфных тел, застывающих постепенно по мере охлаждения, металлы кристаллизуются при постоянной температуре Тпл, называемой критической температурой (точкой) фазового превращения. В чистых металлах твердое состояние переходит в жидкое при температуре плавления, жидкое в газообразное – при температуре кипения. Температура плавления металлов колеблется от – 39°С (для ртути, самого легкоплавкого металла) до +3390°С (для самого тугоплавкого металла – вольфрама).

До тех пор, пока формирующийся вокруг центра кристаллизации кристалл окружен жидким расплавом металла, он имеет правильную геометрическую форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается и образуются так называемые кристаллиты – зерна. Величина зерна зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше степень охлаждения, тем больше центров кристаллизации и меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем с выше механические свойства металла (сплава); особенно это сказывается на пластичности. На процесс кристаллизации оказывает влияние ультразвук; модифицирование; введение порошков, частицы которых служат центрами кристаллизации; поверхностно-активные вещества, облегчающие образование зародышей и др.

Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный характер (дендриты – незавершенные в своем развитии кристаллы, имеющие древовидную форму). Развитие зародышей кристаллов протекает главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются ветви – оси первого порядка I. От осей первого порядка начинают расти новые оси второго порядка II, от осей второго порядка – оси третьего порядка III и т.д.

Полиморфизмом или аллотропией называют способность металла в твердом состоянии при изменении температуры перестраивать свою кристаллическую решетку. Полиморфные превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты, а также изменением свойств металла. Различные аллотропические состояния называют модификациями. Каждой модификации свойственно оставаться устойчивой лишь в пределах определенного для данного металла интервала температур. Аллотропические формы обозначаются греческими буквами , ,  и т.д. На кривых охлаждения и нагрева переход из одного состояния в другое характеризуется остановкой (для чистых металлов) или изменением характера кривой (для сплавов).

При аллотропических превращениях кроме изменения свойств (теплопроводности, электропроводности, механических, магнитных и др.) наблюдают изменения объема металла и растворимости (например, углерода в железе). Аллотропические превращения свойственны многим металлам (железу, олову, титану и др.).

Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения Т. Падение температуры в металле по мере его охлаждения наблюдается в однофазном (жидком или твердом) состоянии. Все тела состоят из атомов. Тела, в которых атомы расположены беспорядочно называются аморфными (стекло, воск, смола и др.). Кристаллические тела, к которым относятся все металлы и их сплавы, характеризуются правильным (упорядоченным) расположением атомов в пространстве. У аморфных веществ расположение атомов случайно.

Кристаллические вещества образуют т.н. кристаллическую решетку (воображаемая пространственная сетка, в узлах которой находятся атомы). Кристаллическая решетка характеризуется элементарной ячейкой. Элементарная ячейка – наименьшая геом. правильная часть объема, воспроизведение которой в пространстве множество раз создает пространственную кристаллическую решетку.

Атомы в пространстве располагаются упорядоченно, образуя кристаллическую решетку. Расстояния между соседними атомами в решетке очень малы. Для их измерения пользуются особой единицей Ангстрем (А) 1А=10-8 см=10-10 м. В процессе кристаллизации металлов и сплавов могут образовываться кристаллические решетки разного типа. Существует 14 типов кристаллических решеток. Наиболее распространенными являются: кубическая объемно-центрированные, кубическая гранецентрированные и гексагональная плотноупакованная.

Основные типы:

1) Простая кубическая решетка: атомы - в узлах кубика. N=1, К=6, =0,52.

2) Кубическая объемно-центрированная решетка характерна для тугоплавких металлов. Решетку ОЦК имеют: Li, Na, K, Ru, -Fe, Ta, Mo, Cr, W. N=2, К=8, =0,68.

3) Кубическая гранецентрированная решетка. Характерна для пластичных металлов: Al, -Fe, Ni, Pb, Pt, Ca, Cu, Au, Ag. N=4, К=12, =0,74.

4) Гексагональная ПУ- Mg, Zn, Cd, Be, -Ti. N=2, К=12, =0,74.

Гранецентрированная и гексагональная - характеризуются наиболее плотной упаковкой атомов и их компактным размещением.

Некоторые металлы (Fe, Mn, кобальт) в зависимости от температуры нагрева могут иметь кристаллические решетки различного строения и, следовательно обладать различными свойствами. Это явление называется аллотропией. Аллотропия превращения сопровождается процессом перестройки атомов в кристаллической решетке и выделением или поглощением теплоты. Аллотропию формы обозначают , ,  и т.п.

^ Лекция 3. Диаграммы состояния двойных сплавов I-IV типов

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (твердые растворы с неограниченной растворимостью)

Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов системы представлены на рис. 4.1.



Рис.4.1 Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а); кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Сначала получают термические кривые. Полученные точки переносят на диаграмму, соединив точки начала кристаллизации сплавов и точки конца кристаллизации, получают диаграмму состояния.

1. Количество компонентов: К=2 (компоненты А и В).

2. Число фаз: f=2 (жидкая фаза L, кристаллы твердого раствора α)

3. Основные линии диаграммы:

– acb – линия ликвидус, выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии;

– adb – линия солидус, ниже этой линии сплавы находятся в твердом состоянии.

4. Характерные сплавы системы:

Процесс кристаллизации сплава I: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации твердого раствора α. На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре. При достижении температуры соответствующей точке 2, сплав затвердевает, при дальнейшем понижении температуры охлаждается сплав в твердом состоянии, состоящий из однородных кристаллов твердого раствора α.

^ Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в компонентов в твердом состоянии (механические смеси)

Диаграмма состояния и кривые охлаждения типичных сплавов системы представлены на рис.4.2.



Рис. 4.2. Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения сплавов (б)

1. Количество компонентов: К=2 (компоненты А и В);

2. Число фаз: f=3 (кристаллы компонента А, кристаллы компонента В, жидкая фаза).

3. Основные линии диаграммы:

– линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке;

– линия солидус ecf, параллельна оси концентраций стремится к осям компонентов, но не достигает их;

^ Эвтектический сплав – сплав, соответствующий концентрации компонентов в точке с (сплав I). Кривая охлаждения этого сплава, аналогична кривым охлаждения чистых металлов.

Эвтектика – мелкодисперсная механическая смесь разнородных кристаллов, кристаллизующихся одновременно при постоянной, самой низкой для рассматриваемой системы, температуре.

При образовании сплавов механических смесей эвтектика состоит из кристаллов компонентов А и В: Эвт. (кр. А + кр. В)

^ Процесс кристаллизации эвтектического сплава: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинается одновременная кристаллизация двух разнородных компонентов. На кривой охлаждения отмечается температурная остановка, т.е. процесс идет при постоянной температуре. В точке 1/ процесс кристаллизации завершается. Ниже точки 1/ охлаждается сплав, состоящий из дисперсных разнородных кристаллов компонентов А и В.

^ Процесс кристаллизации сплава II: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации избыточного компонента В. На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре. При охлаждении состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус до эвтектического. На участке 2 – 2 кристаллизуется эвтектика (см. кристаллизацию эвтектического сплава). Ниже точки 2 охлаждается сплав, состоящий из кристаллов первоначально закристаллизовавшегося избыточного компонента В и эвтектики.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Диаграмма состояния и кривые охлаждения типичных сплавов системы представлены на рис.4.3.

1. Количество компонентов: К=2 (компоненты А и В);

2. Число фаз: f=3 (жидкая фаза и кристаллы твердых растворов α (раствор компонента В в компоненте А) и β (раствор компонента А в компоненте В));

3. Основные линии диаграммы:

– линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке;

– линия солидус аdcfb, состоит из трех участков;

– dm – линия предельной концентрации компонента В в компоненте А;

– fn – линия предельной концентрации компонента А в компоненте В.

4. Типовые сплавы системы.

При концентрации компонентов, не превышающей предельных значений (на участках Аm и nВ), сплавы кристаллизуются аналогично сплавам твердым растворам с неограниченной растворимостью, см кривую охлаждения сплава I на рис. 4.3 б. При концентрации компонентов, превышающей предельные значения (на участке dcf), сплавы кристаллизуются аналогично сплавам механическим смесям, см. кривую охлаждения сплава II.



Рис. 4.3 Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (а) и кривые охлаждения типичных сплавов (б)

Сплав с концентрацией компонентов, соответствующей точке с, является эвтектическим сплавом. Сплав состоит из мелкодисперсных кристаллов твердых растворов α и β, эвт. (кр. тв. р-ра α + кр. тв. р-ра β)

Кристаллы компонентов в чистом виде ни в одном из сплавов не присутствуют.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химические соединения.

Диаграмма состояния сплавов представлена на рис. 4.4.



Рис. 4.4. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химические соединения

Диаграмма состояния сложная, состоит из нескольких простых диаграмм. Число компонентов и количество диаграмм зависит от того, сколько химических соединений образуют основные компоненты системы.

Число фаз и вид простых диаграмм определяются характером взаимодействия между компонентами.

Эвт1 (кр. А + кр. AmBn);

Эвт2 (кр. B + кр. AmBn).

^ Лекция 4. Фазы диаграммы железоуглеродистых сплавов.

Сплавы железа с углеродом (стали, чугуны) являются наиболее распространенными материалами в машиностроении.

Железо (Fе) – блестящий светло-серый металл. Атомный номер 26, плотность 7870 кг/м3, температура плавления 1539°С, температура кипения 2880°С, модуль нормальной упругости 210 ГПа. Механические свойства железа зависят от его чистоты. Временное сопротивление при растяжении технически чистого железа составляет 300...400 МПа, предел текучести – 100...250 МПа, относительное удлинение – 30...50%, относительное сужение – 70...80%, НВ 60...90.

Углерод (С) в железоуглеродистых сплавах находится в химически связанном или свободном состоянии. Атомный номер 6, плотность 2600 кг/м3, температура плавления 4000 °С, температура кипения 4200 °С. Он имеет две кристаллические модификации – графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, он имеет гексагональную решетку; алмаз получается при высоких давлениях и температурах, имеет кубическую (метастабильную) решетку.

В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы образуют ряд структурных составляющих (фаз).

Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяются скачкообразно. Замечено, что механические смеси образуют металлы, отличающиеся друг от друга атомными объемами и температурой плавления.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в -железе, имеет кубическую объемно-центрированную решетку, максимальная растворимость при 727°С составляет 0,02% С. Феррит магнитен, на диаграмме состояния Fе – С занимает область GPQ. Феррит характеризуется низкой прочностью (в=250 МПа, 0,2=120 МПа) и твердостью (НВ 80...100) и высокой пластичностью (=50%; =80%).

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в -железе, имеет кубическую гранецентрированную решетку. Предельная растворимость углерода в -железе при температуре 1147°С – 2,14%. Аустенит немагнитен, на диаграмме состояния занимает область АЕSG. Он имеет твердость НВ 160 при =40...50%.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fе3С), содержит 6,67% С, температура плавления точно не установлена и принимается примерно равной 1260°С. Цементит магнитен, характеризуется высокой твердостью (>НВ800) и очень низкой пластичностью. Цементит является метастабильной фазой и при определенных условиях распадается с выделением свободного графита. В зависимости от условий образования различают цементит первичный, который образуется из жидкости при затвердевании расплава, вторичный – образуется при распаде аустенита и третичный – образуется при выделении углерода из феррита.

Графит представляет собой свободный углерод, он мягок, обладает низкой прочностью и электропроводностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений. Форма графитовых включений оказывает влияние на механические и технологические свойства сплавов.

Перлит (П) – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83% С; образуется при 727°С в результате распада аустенита в процессе его охлаждения: Fе(С)Fе(С)+Fе3С. Перлит может быть пластинчатым или зернистым. Это определяет механические свойства перлита.

При комнатной температуре зернистый перлит имеет прочность в=800 МПа, пластичность =15%, НВ=160...200.

Ледебурит (Л) – механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, образующаяся из жидкого расплава при 1147°С и при содержании 4,3% С. Твердость НВ 600...700, хрупок. Так как при температуре ниже эвтектоидной (ниже 727 °С) аустенит превращается в перлит, то ледебурит ниже эвтектоидной прямой Е'К состоит из цементита и перлита.

^ Лекция 5. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

Основой для определения структуры и свойств железоуглеродистых сплавов является диаграмма состояния железо – углерод (цементит). Диаграмма состояния Fе – Fе3С является диаграммой метастабильного равновесия.

Точка А на диаграмме соответствует температуре плавления железа, точка D – цементита. В точке С (с концентрацией 4,3% С и температурой 1147°С) образуется эвтектика (ледебурит). Линия АСD – линия ликвидус (выше ее существует жидкий раствор L) – показывает начало первичной кристаллизации: по линии АС из жидкого, раствора начинает кристаллизоваться аустенит, по СD – цементит. Поэтому в области АСЕ существует жидкий раствор и кристаллы аустенита (L+А), а в области СDF – жидкий раствор и кристаллы цементита (L+Ц1). Точка Е диаграммы показывает максимальную растворимость углерода в аустените при температуре 1147°С, она принята границей деления железоуглеродистых сплавов на стали (до 2,14% С) и чугуны (свыше 2,14%).

Линия АЕСР – линия солидус – характеризует конец первичной кристаллизации. Она также является началом вторичной кристаллизации (перекристаллизации), характерной для твердой фазы. Прямая ЕСF называется линией эвтектических превращений.

Аллотропия (полиморфизм) железа определяет превращения в сталях при их охлаждении от аустенитного состояния. Точка G диаграммы соответствует температуре аллотропического превращения чистого железа (911 °С). С повышением содержания углерода до 0,8% температура превращения аустенита в феррит, постепенно снижаясь, достигает 727°С. Линия GS – начало, линия GР – конец превращения аустенита в феррит, поэтому область GPQ характеризует феррит (Ф). В точке S (с концентрацией 0,8% С и температурой 727°С) протекает реакция распада аустенита, продуктом которой является эвтектоидная смесь, называемая перлитом. Поэтому прямая РSК называется прямой эвтектоидных превращений. В области GSР существуют аустеиит и феррит (А+Ф), а в области QРS 0,8 – перлит и феррит (П+Ф).

Линия SE является линией ограниченной растворимости углерода в аустените: со снижением температуры растворимость падает с 2,14 до 0,8%. В связи с этим в сплавах при их охлаждении избыточный углерод выпадает из аустенита в виде карбида железа Fе3С. Поэтому в области SЕЕ' существуют аустенит и цементит вторичный (А + ЦII). Он называется вторичным потому, что он образуется из твердой фазы. В области 0,8SЕ'2,14 существуют перлит и цементит (П+ЦII).

В зависимости от содержания углерода стали делят на доэвтектоидные (С<0,8%), их также можно назвать конструкционными; эвтектоидные (С=0,8%) и заэвтектоидные (С>0,8%), последние две группы можно назвать инструментальными сталями.

С увеличением содержания углерода количество феррита уменьшается, а перлита – увеличивается. Структура эвтектоидной стали состоит из перлита; заэвтектоидных сталей – из перлита и цементита.

В чугунах и первичный аустенит, и аустенит в составе эвтектики к концу кристаллизации содержат максимальное количество углерода (2,14%). Со снижением температуры до 1147°С и более избыточный углерод (линия SE) выпадает из аустеиита в виде вторичного цементита. Поэтому в области ЕСС'Е' существуют аустенит, ледебурит и вторичный цементит (А+Л+ЦII), а в области СFКС' – ледебурит и первичный цементит (Л+ЦI). По прямой РSК и в чугунах аустенит характеризуется перлитным превращением. Отсюда в области 2,14Е'С'4,3 существуют перлит, ледебурит и вторичный цементит (П+Л+ЦII), а в области С'K6,67 4,3 – ледебурит и первичный цементит (Л+ЦI).

Следует отметить, что линия GРSК является концом вторичной кристаллизации железоуглеродистых сплавов.

В зависимости от содержания углерода чугуны делятся на доэвтектические (2,14<С<4,3), эвтектические (С=4,3% ) и заэвтектические (С>4,3%).

Структура белых чугунов состоит из перлита, ледебурита и цементита. Структура доэвтектического чугуна при комнатной температуре состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита. Структура эвтектического чугуна состоит из перлита и первичного цементита. Структура заэвтектического чугуна состоит из ледебурита и первичного цементита.

^ Лекция 6. Термическая обработка металлов и сплавов

В настоящее время термообработка широко применяется в практике машиностроительных и металлургических заводов как промежуточная и как заключительная операции.

^ Отжиг 1 рода (без фазовых превращений). Этот отжиг применяется как для моно-, так и для полиморфных металлов и сплавов. Его проведение, как правило, не сопровождается фазовыми превращениями в твердом состоянии. Основное назначение отжига I рода – уменьшение концентрации дефектов решетки и внутренних напряжений, внесенных в металл предварительной обработкой (литьем, резанием, деформацией, сваркой и др.); понижение твердости и повышение пластичности.

^ Гомогенизирующий – диффузионный отжиг позволяет устранять дендритную ликвацию в отливках и слитках сплавов цветных металлов и высоколегированных сталей. С ростом температуры увеличивается и скорость диффузии. Поэтому гомогенизирующий отжиг проводят при высоких температурах (0,8...0,9 ТПЛ) и длительных (до 100 ч) выдержках, обеспечивающих выравнивание химического состава и растворение избыточных фаз за счет активации диффузионных процессов. Этот отжиг повышает технологическую пластичность слитков.

Рекристаллизационный отжиг чаще применяется для холодно-деформированных металлов и сплавов с целью снятия наклепа. Эта обработка может быть промежуточной (между операциями холодной обработки давлением для восстановления пластичности) и окончательной, В результате рекристаллизации образуются новые зерна с меньшей концентрацией дефектов строения, снимаются внутренние напряжения, понижаются прочностные и повышаются пластические свойства металлов и сплавов. Температура отжига назначается не ниже температуры начала рекристаллизации, но может быть выше температуры конца рекристаллизации.

^ Отжиг для снятия напряжений позволяет устранить внутренние (остаточные) напряжения, внесенные в металл предварительной обработкой. Растягивающие остаточные напряжения могут привести к короблению и даже разрушению детали в процессе ее вылеживания. Поэтому желательно проводить отжиг сразу же по окончании технологической операции. Температура отжига должна быть ниже температуры рекристаллизации, так как зачастую требуется частично сохранить упрочнение, сообщенное металлу при предварительной холодной деформации. Уменьшение остаточных напряжений происходит за счет процессов- возврата. Полиморфные металлы и сплавы нагреваются ниже критических температур полиморфного перехода.

^ Отжиг II рода (фазовая перекристаллизация). Этот отжиг проводится с целью получения равновесной структуры металлов и сплавов, претерпевающих при тепловом воздействии фазовые превращения (полиморфные, эвтектоидные, перитектоидные и др.). Отжиг уменьшает концентрацию дефектов решетки, снимает внутренние напряжения, измельчает зерно, исправляет структуру, созданную предварительной обработкой (прокаткой, неверно проведенной термообработкой и др.). В результате повышается пластичность и понижаются прочность и твердость металла.

Закалка. Этому виду термической обработки подвергаются металлы и сплавы с фазовыми превращениями в твердом состоянии. Различают закалку без полиморфных и с полиморфными превращениями. И та и другая производится с быстрым охлаждением.

^ Отпуск и старение. Образующиеся в результате закалки пересыщенные твердые растворы метастабильны и при нагреве начинают распадаться. Процессы их распада в сплавах, закаленных с полиморфным превращением, называются отпуском, в сплавах, закаленных без полиморфного превращения, – старением. Полнота изменений структуры и свойств закаленных сплавов при отпуске и старении в основном зависит от температуры нагрева и длительности изотермической выдержки.

Отпуск предназначен для уменьшения метастабильности закаленного на мартенсит материала. Температура нагрева при отпуске не должна превышать температуры фазового перехода. Отпуск в зависимости от температуры нагрева в той или иной степени уменьшает внутренние напряжения и хрупкость, снижает твердость и прочность, повышает вязкость и пластичность.

^ Лекция 7. Химико-термическая обработка сталей

Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс поверхностного насыщения сталей различными химическими элементами (углеродом, азотом, хромом, алюминием, кремнием и др.) с целью придания ей соответствующих свойств: повышения твердости, износостойкости, жаростойкости. Она отличается от других видов термической обработки тем, что при этой обработке кроме структурных изменений происходят изменения состава и строения поверхности за счет диффузии в нее элементов в атомарном состоянии из внешней среды при высоких температурах. Основная цель – упрочнение поверхности деталей, повышение твердости, износостойкости, усталостной прочности и т. п. и повышение стойкости против воздействия агрессивных сред. К процессам химико-термической обработки относятся: цементация, азотирование, цианирование, диффузионная металлизация (алитирование, хромирование, силицирование), борирование.

ХТО характеризуется тремя одновременно протекающими процессами. Первый процесс – диссоциация – заключается в распаде молекул и образовании диффундирующего элемента в атомарном состоянии.

Второй процесс, называемый абсорбцией, представляет собой взаимодействие атомов диффундирующего элемента с поверхностью изделия и проникновение их в решетку железа.

Третий процесс – диффузия заключается в проникновении атомов насыщенного элемента в глубь металла.

Цементация – процесс поверхностного процесс насыщения поверхности стальных изделий углеродом для придания им высокой поверхностной твердости при сохранении вязкой сердцевины.

Цементации подвергают низкоуглеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,15…0,35%, которые плохо подвергаются закалке.

Цементированные изделия подвергают двойной термической обработке. Для придания твердости наружному слою производят закалку с температур 820...850°С и низкий отпуск при 150...170°С. После термической обработки твердость поверхностного слоя HRС 60...64. Чтобы получить заданную структуру и свойства материала сердцевины изделия, проводят нормализацию (880...900°С) и для поверхностного слоя – закалку (760...780°С) с низким отпуском.

Азотирование – процесс насыщения стали азотом для повышения твердости, износостойкости и усталости против коррозии. Азотирование железа и углеродистой сталей не приводит к значительному повышению твердости. Поэтому для изготовления деталей, подвергаемых азотированию, применяют легированные стали. Чем выше температура азотирования, тем глубже слой, но меньше его твердость. Продолжительность азотирования зависит от требуемой глубины поверхностного слоя, например, для азотируемого слоя 0,3…0,6 мм нужно 30…60 часов.

Цианирование – одновременное насыщение поверхности углеродом и азотом для повышения твердости и износостойкости и увеличения сопротивляемости коррозии, которое проводят в расплавленных цианистых солях при температуре 820...950°C. Чем выше температура, тем сильнее поверхностный слой насыщается углеродом, чем ниже – азотом. Различают цианирование – высокотемпературное: 800 – 950С и низкотемпературное: 500 – 600С.

Нитроцементация представляет собой процесс насыщения поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом в газовой среде азота 40%, водорода 40% и оксида углерода 20% при температуре 850...870 °С в течение 4...10 ч. Назначение – повышение износостойкости, предела иыносливости при изгибе, твердости и коррозионной стойкости. После закалки и низкого отпуска (160...180°С) твердость поверхностного слоя составляет НRС58...60 и толщина слоя 0,2...0,8 мм; зависят от температуры и времени выдержки.

Борирование заключается в насыщении поверхностного слоя изделий из низко- и среднеуглеродистых сталей 20, 40, 40Х, ЗОХГС и других бором при нагревании в боросодержащей среде. Борирование применяют для повышения твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и окалиностойкости тяжело нагруженных деталей. Процесс проводится при температуре 850...950 °С в течение 2...6 ч. Поверхностный слой состоит из боридов, толщина слоя 0,1...0,2 мм, твердость его НV 1800...2000.

Диффузионная металлизация – процесс насыщения поверхностного слоя различными металлами (алюминием, хромом, кремнием и др.) для придания окалиностойкости, коррозионной стойкости, твердости и износостойкости. Ее проводят в твердой, жидкой и газообразных средах при температурах 1000…1200C.

Алитирование – процесс насыщения поверхностного слоя сталей алюминием для повышения окалиностойкости (жаростойкости), коррозионной и эрозионной стойкости сталей, чугунов и медных сплавов. Алитирование осуществляют в порошкообразных смесях, в ваннах с расплавленным алюминием, в газовой среде и распылением жидкого алюминия.

Силицирование – термодиффузионное насыщение поверхности изделия кремнием с целью повышения коррозионной стойкости, жаростойкости, износостойкости и кислотостойкости материалов в агрессивных жидких и газовых средах. Силицирование применяют, например, для гнезд клапанов, вкладышей подшипников, роторов водяных насосов, рубашек цилиндров, трубопроводной арматуры, труб судовых механизмов и др.

Хромирование – процесс насыщения поверхностного слоя сталей хромом, при этом повышается коррозионная стойкость, твердость, износостойкость, окалиностойкость. Наибольшее применение получило хромирование в порошкообразных смесях феррохрома или хрома, хлористого аммония и оксида алюминия. Хромирование производится при 1000...1050°С в течение 6...12 ч. Толщина получаемого слоя не более 0,2 мм.

Цинкование наиболее широко используется в технике. На долю цинковых покрытий приходится около 60% от общей поверхности металлических покрытий. Цинковые покрытия хорошо защищают железо и его сплавы от коррозии на воздухе и в воде. Толщина цинкового покрытия 6...36 мкм зависит от условий эксплуатации изделий. Оцинкованные листы и полосы применяются в жилищном строительстве (кровля, водосточные трубы), для изготовления емкостей, в автомобильном и железнодорожном транспорте и др.

^ Лекция 8. Термомеханическая обработка и другие методы обработки для изменения свойств материала детали

Термомеханическая обработка (ТМО). Это метод обработки, в котором сочетаются пластическая деформация и термическая обработка. Быстрое охлаждение с температуры деформации позволяет суммировать дефекты, вносимые деформацией с дефектами от теплового воздействия. Это позволяет значительно увеличить вязкость разрушения, прочность и ударную вязкость металла при сохранении, а то и повышении пластичности. Такого сочетания свойств не удается добиться при собственно термической обработке. ТМО получила широкое распространение при упрочнении как сталей, так и различных цветных металлов и их сплавов, претерпевающих фазовые превращения.

Различают два основных способа ТМО: высокотемпературный (ВТМО) и низкотемпературный (НТМО). Деформация при ВТМО проводится при температурах выше, а при НТМО – ниже температуры рекристаллизации.

При ВТМО деформация сталей с мартенситным превращением, стареющих сталей и цветных сплавов проводится в однофазной области. Старение всегда ведут в двухфазной области, что обеспечивает равномерное выделение очень дисперсных частиц упрочняющей фазы.

При НТМО после предварительного нагрева до однофазной области стали подстуживаются и деформируются при температурах выше, а стареющие сплавы – в двухфазной области. Деформация в процессе превращения или старения дает значительное улучшение комплекса свойств.

НТМО, хотя и дает более высокое упрочнение, но не снижает склонности стали к отпускной хрупкости. Кроме того, она требует высоких степеней деформации (75…95%), поэтому требуется мощное оборудование.

^ Поверхностное упрочнение стальных деталей

Конструкционная прочность часто зависит от состояния материала в поверхностных слоях детали. Одним из способов поверхностного упрочнения стальных деталей является поверхностная закалка.

В результате поверхностной закалки увеличивается твердость поверхностных слоев изделия с одновременным повышением сопротивления истиранию и предела выносливости.

Наибольшее распространение имеют электротермическая закалка с нагревом изделий токами высокой частоты (ТВЧ) и газопламенная закалка с нагревом газово-кислородным или кислородно-керосиновым пламенем.

^ Закалка токами высокой частоты.

Основан на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.

Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Температура закалки при нагреве токами высокой частоты должна быть выше, чем при обычном нагреве.

Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150…200oС (самоотпуск).

Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4%.

Основной недостаток метода – высокая стоимость индукционных установок и индукторов.

^ Газопламенная закалка.

Нагрев осуществляется ацетиленокислородным, газокислородным или керосинокислородным пламенем с температурой 3000…3200oС.

Структура поверхностного слоя после закалки состоит из мартенсита, мартенсита и феррита. Толщина закаленного слоя 2…4 мм, твердость 50…56 HRC.

Метод применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах.

При нагреве крупных изделий горелки и охлаждающие устройства перемещаются вдоль изделия, или – наоборот.

^ Лекция 10. Конструкционные стали

Классификация конструкционных сталей

Машиностроительные стали предназначены для изготовления различных деталей машин и механизмов.

Они классифицируются:

  1. по химическому составу ( углеродистые и легированные);

  2. по обработке (цементуемые, улучшаемые);

  3. по назначению (пружинные, шарикоподшипниковые).

Углеродистые стали

Низкоуглеродистые стали обладают малой прочностью высокой пластичностью. Применяются без термической обработки для изготовления малонагруженных деталей – шайб, прокладок и т.п.

^ Среднеуглеродистые стали применяются после нормализации, термического улучшения, поверхностной закалки.

Высокоуглеродистые стали используются как рессорно-пружинные после среднего отпуска. В нормализованном состоянии – для прокатных валков, шпинделей станков.

^ Цементуемые стали

Цементуемые углеродистые стали используются для изготовления деталей небольшого размера, работающих в условиях изнашивания при малых нагрузках (втулки, валики, оси, шпильки и др.). Твердость на поверхности составляет 60…64 HRC, сердцевина остается мягкой.

^ Цементуемые легированные стали применяют для более крупных и тяжелонагруженных деталей, в которых необходимо иметь, кроме высокой твердости поверхности, достаточно прочную сердцевину (кулачковые муфты, поршни, пальцы, втулки).

^ Улучшаемые стали

Улучшаемые углеродистые стали дешевы, из них изготавливают детали, испытывающие небольшие напряжения, и детали, требующие повышенной прочности. Но термическое улучшение этих сталей обеспечивает высокий комплекс механических свойств только в деталях небольшого сечения, так как стали обладают низкой прокаливаемостью. Стали этой группы можно использовать и в нормализованном состоянии.

^ Улучшаемые легированные стали

Улучшаемые легированные стали применяют для более крупных и более нагруженных ответственных деталей. Стали обладают лучшим комплексом механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладоломкости.

^ Высокопрочные стали

Высокопрочными называют стали, имеющие предел прочности более 1500 МПа, который достигается подбором химического состава и оптимальной термической обработки.

Легирование вольфрамом, молибденом, ванадием затрудняет разупрочняющие процессы при температуре 200…300oС, способствует получению мелкого зерна, понижает порог хладоломкости, повышает сопротивление хрупкому разрушению.

^ Пружинные стали

Пружины, рессоры и другие упругие элементы являются важнейшими деталями различных машин и механизмов. В работе они испытывают многократные переменные нагрузки. Под действием нагрузки пружины и рессоры упруго деформируются, а после прекращения действия нагрузки восстанавливают свою первоначальную форму и размеры. Особенностью работы является то, что при значительных статических и ударных нагрузках они должны испытывать только упругую деформацию, остаточная деформация не допускается. Основные требования к пружинным сталям – обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению, стойкости к релаксации напряжений.

^ Шарикоподшипниковые стали.

Основными требованиями являются высокая прочность и износостойкость, высокий предел выносливости, отсутствие концентраторов напряжений, неметаллических включений, полостей, ликваций, т.к. они подвергаются воздействию высоких нагрузок переменного характера. Шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома (ШХ9, ШХ15).

^ Износостойкие стали

Для работы в условиях изнашивания, сопровождаемого большими удельными нагрузками используется высокомарганцевая сталь 110Г13Л, имеющая в своем составе 1…1,4% углерода, 12…14% марганца. Сталь имеет аустенитную структуру и относительно низкую твердость (200…250 НВ). В процессе работы, когда на деталь действуют высокие нагрузки, которые вызывают в материале напряжения, превосходящие предел текучести, происходит интенсивное наклепывание стали и рост ее твердости и износостойкости. При этом сталь сохраняет высокую вязкость. Благодаря этим свойствам сталь широко используется для изготовления корпусов шаровых мельниц, щек камнедробилок, крестовин рельсов, гусеничных траков, козырьков землечерпалок и т.д.

^ Автоматные стали.

Автоматными называют стали, обладающие повышенной обрабатываемостью резанием.

Автоматные стали с повышенным содержанием серы и фосфора используются для изготовления малонагруженных деталей на станках автоматах (болты, винты, гайки, мелкие детали швейных, текстильных, счетных и других машин). Эти стали обладают улучшенной обрабатываемостью резанием, поверхность деталей получается чистой и ровной. Износостойкость может быть повышена цементацией и закалкой.

^ Лекция 10. Инструментальные стали и сплавы

Стали, применяющиеся для изготовления различного инструмента, называются инструментальными. Высокую твердость, прочность, износостойкость они приобретают в результате термообработки.

Инструментальные стали подразделяются по структуре, химическому составу, свойствам и назначению.

По химическому составу различают углеродистые и легированные стали.

Классификация по свойствам учитывает теплостойкость (красностойкость) сталей, характеризующую предельные температуры нагрева в процессе резания, штамповки.

Инструментальные стали подразделяются на три группы:

1) нетеплостойкие (до 200°C) – эвтектоидные и заэвтектоидные углеродистые и легированные стали с 3...5% легирующих элементов;

2) полутеплостойкие (до 200...280°C) – главным образом ледебуритные легированные стали с содержанием 1...2,2% С и 3...18% Cr;

3) теплостойкие (до 600...650°C) – высоколегированные ледебуритные стали с содержанием 1% С и более 5% легирующих элементов (W, Мо, V и др.).

Углеродистые инструментальные стали в состоянии поставки плохо обрабатываются резанием. Перлит в них имеет пластинчатое строение.

Из сталей марок У7, У8, У7А, У8А изготавливают деревообрабатывающий инструмент (пилы, отвертки, стамески, буравы, топоры, долота), слесарный и кузнечный инструмент (кернеры, зубила, клейма, кузнечные штампы), другие изделия, подвергающиеся ударным нагрузкам.

Стали марок У9, У10, У11, У9А, У10А, У11А идут для изготовления инструмента, не подвергающегося ударным нагрузкам, требующего высокой твердости режущей грани (фрезы, зенкеры, сверла, метчики, развертки, плашки, резцы, ленточные пилы, медицинский инструмент, ножи для резки кожи, листовые и вытяжные штампы и т. д.).

Стали марок У12, У13, У12А, У13А применяются для инструментов высокой твердости и износостойкости, не подвергающихся ударным нагрузкам (напильники, резцы, шаберы, гравировальный и измерительный инструмент, зубила для насечки напильников, волочильный инструмент, ручные метчики, сверла и др.).

Задача легирования инструментальных сталей – повысить твердость, прокаливаемость и теплостойкость. В качестве легирующих элементов применяют карбидообразующие элементы, т.к. именно специальные карбиды при повышенных температурах обладают высокой твердостью.

Очень важно, что легирование позволяет понизить критическую скорость закалки, а следовательно, расширяет выбор охлаждающих сред. Легирование позволяет в ряде случаев значительно увеличить и прокаливаемость стали. По этому параметру различают стали небольшой и повышенной прокаливаемости.

Стали повышенной твердости В2Ф, ХВ4 (соответственно HRC 62...65 и 65...67) хорошо сохраняют остроту режущей кромки, что обеспечивает чистую поверхность обрабатываемого металла. Из них изготавливают инструмент, работающий без динамических нагрузок: ножовочные полотна (стойкость в 1,5...2 раза выше, чем у полотен из стали 11Х и 13Х)

Полутеплостойкие стали. Эти стали содержат 5...18%Cr или Cr+3...4% V, отличаются высокой твердостью и износостойкостью. Все стали этой группы имеют повышенную прокаливаемость. В основном стали повышенной твердости идут для производства фрез, ножей, пуансонов вырубных штампов, накатного инструмента, для прессования абразивных материалов, вырубных штампов. Из стали повышенной вязкости изготовляют штампы горячей деформации и работающие при динамических нагрузках.

Теплостойкие стали. Эти стали называются быстрорежущими за способность обрабатывать металлы резанием со скоростями в 2...4 раза выше, чем нетеплостойкие инструментальные стали. При этом в 10...40 раз повышается стойкость инструмента. Названные преимущества обусловлены подбором легирующих элементов, обеспечивающих термическую стабильность мартенсита и термообработкой.

Стали Р18, Р12, Р6М5 применяются для производства шлифуемого инструмента (протяжки, метчики, фрезы, резцы и др.) размером 15.. .40 мм, предназначенного для обработки резанием сталей и чугунов с твердостью 250.. .280 НВ (2500.. .2800 МПа).

Инструмент из сталей Р18Ф2К5, Р10М4Ф3К10 (твердость HRC 67. ..69) имеет стойкость в 3...5 раз выше, чем из стали Р18. Из них изготавливают зенкеры, метчики, фрезы, резцы, развертки, сверла с укороченной рабочей частью и другой инструмент для обработки вязких аустенитных жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, конструкционных улучшаемых сталей с твердостью HRC 35. ,.45 и др.

^ Стали для измерительного инструмента. Кроме высокой твердости (HRC 63. ..64) и износостойкости, они должны сохранять постоянство линейных размеров и формы в течение длительного времени. Выполнение последнего требования неизбежно вносит коррективы в параметры термической обработки и в выбор сталей.

Для изготовления измерительного инструмента применяются в основном эвтектоидные хромистые (до 1,5% Cr) стали.

Тик, измерительные плитки делают из сталей X, 12X1. Закалку производят с возможно более низких температур (850...860°C – X, Нвб.. 870°C – - 12X1), чтобы уменьшить склонность к выкрашиванию при шлифовании и эксплуатации. Охлаждение проводят в масле, подогретом до 40.,.вОвС, Не позднее чем через 0,5 ч после закалки проводят Обработку холодом при - 70°C и отпуск при 120...130°C в течение 24 4Н ч (чем больше толщина, тем больше время). Для инструмента высокого класса точности проводится многократная (2...6 раз) обработка по схеме: охлаждение до – 70°C, отпуск при 120...125°C, 2,,.3 ч. После первых операций шлифования отпущенного инструмента проводят отпуск при 100...120°C в течение 1...2 ч для снятия шлифовочных напряжений, затем чистовое шлифование и полирование

Плоские измерительные инструменты – скобы, лекала, шкалы, шаблоны, линейки изготавливаются из листовой стали марок 15Х, 20, 20Х, 50, 50Г, 55.

Низкоуглеродистые стали подвергают цементации, закалке с 790°C в воде (15, 20) или в масле (15Х, 20Х), и отпуску при 150...180°C.

Инструменты из сталей 50, 50Г, 55 закаливают с индукционным нагревом, отпускают 2...3 ч при при 150...180°C

Лекция 11. Чугуны

Чугун отличается от стали: по составу – более высокое содержание углерода и примесей; по технологическим свойствам – более высокие литейные свойства, малая способность к пластической деформации, почти не используется в сварных конструкциях.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

  1. белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск;

  2. серый чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8% углерода. Из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет;

  3. половинчатый – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2% углерода находится в форме цементита. Мало используется в технике.

В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый – с пластинчатым графитом; высокопрочный – с шаровидным графитом; ковкий – с хлопьевидным графитом.

^ Серый чугун

Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами.

Структура не оказывает влияние на пластичность, она остается чрезвычайно низкой. Но оказывает влияние на твердость. Механическая прочность в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций. Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию.

Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5%; кремния – 1,9…2,5%; марганца – 0,5…0,8%; фосфора – 0,1…0,3%; серы – < 0,12%.

Обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности.

^ Высокопрочный чугун с шаровидным графитом

Высокопрочные чугуны могут иметь ферритную, феррито-перлитную и перлитную металлическую основу. Получают эти чугуны из серых чугунов, в результате модифицирования магнием или церием (добавляется 0,03…0,07% от массы отливки). По сравнению с серыми чугунами, механические свойства повышаются, это вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряжений из-за шаровидной формы графита.

Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8%, кремния – 1,9…2,6%, марганца – 0,6…0,8%, фосфора – до 0,12%, серы – до 0,3%.

Отливки коленчатых валов массой до 2..3 т, взамен кованых валов из стали, обладают более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, обладают лучшими антифрикционными свойствами и значительно дешевле.

Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности.

^ Ковкий чугун

Получают отжигом белого доэвтектического чугуна.

Ковкие чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0%, кремния – 0,8…1,4%, марганца – 0,3…1,0%, фосфора – до 0,2%, серы – до 0,1%.

Различают 7 марок ковкого чугуна: три с ферритной и четыре с перлитной основой. По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.

Обозначаются индексом КЧ (высокопрочный чугун) и двумя числами, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на 10-1, а второе – относительное удлинение.

^ Лекция 12. Легкие цветные металлы и их сплавы.

1.Алюминий – моноформный парамагнитный металл серебристо-белого цвета с ГЦК решеткой, Tпл=660°С, обладает высокой электро- и теплопроводностью, малой плотностью (у=2,7 г/см3), не имеет аллотропических превращений.

В зависимости от содержания примесей различают первичный алюминий особой А999 (99,999% А1), высокой А995 (99,995% А1), А99 (99,99% Al), A97 (99,97% Al), A95 (99,95% А1) и технической А85, А8, А7, А6, А5, АО (с содержанием от 0,15 до 1% примесей соответственно) чистоты.

Алюминий выпускается в виде чушек, круглых и плоских слитков, перерабатываемых деформацией в полуфабрикат: листы, профили, проволоку, прутки, оболочку для кабелей и т.д. Деформированный алюминий маркируется АД00, АД0, АД1, нагартованный вхолодную АДН, отожженный – АДМ (мягкий).

Чистый и технический алюминий из-за низкой прочности [в=50...100 МПа, 0,2=15...40 МПа, 20...30 НВ (200...300 МПа) =35...50%] ограниченно применяется как конструкционный материал. Как правило, из него изготавливают мало нагруженные детали и элементы конструкций. Высокая электропроводность чистого алюминия (60% от меди) и низкая плотность обусловили его применение в электротехнике в качестве проводникового материала, коррозионная стойкость – в химическом машиностроении и быту.

Алюминиевые сплавы подразделяются:

1) по способу производства полуфабрикатов и изделий на: деформируемые, литейные предназначенные для фасонного литья, и спеченные;

2) по свойствам на сплавы низкой, нормальной и повышенной прочности;

3) по способности к упрочнению в результате термообработки на неупрочняемые и упрочняемые.

2.Деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой.

Дуралюмины – сплавы системы А1-Сu (2,6…4,9%)-Mg (0,25...2,5%) с добавками Mn (0,15...0,9%) всегда содержат десятые доли процента примесей железа и кремния, т.е. являются многокомпонентными сплавами с весьма сложным фазовым составом.

Классический дуралюмин Д1 отличается от сплава повышенной прочности Д16 меньшим содержанием магния, от дуралюминов повышенной жаропрочности Д19 меньшим соотношением Mg/Cu, от сплавов повышенной пластичности Д18, В65 повышенным содержанием этих компонентов. Основные легирующие элементы – Си и Mg.

Сплав Д1 используется все меньше, его заменяют сплавом Д16, обладающим хорошей долговечностью при переменных нагрузках. Из Д16 (в=520 МПа) изготовляют детали и элементы конструкций средней и повышенной прочности, обшивки, шпангоуты, стрингеры и лонжероны самолетов, кузова грузовых автомобилей и т.д.). Сплавы Д18 и В65идут на изготовление заклепок, применяющихся в самолетостроении.

Авиали (AB) – сплавы системы AI-Mg-Si, обладают хорошей свариваемостью, высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, высоким пределом выносливости. Прочность авиалей ниже, чем дуралюминов (в=220 МПа).

^ Алюминий ковочный содержит медь, магний, марганец и кремний. Он отличается от авиалей повышенным содержанием меди, при этом сплав АК8 отличается от дуралюмина Д1 только содержанием специального компонента – Si (AK8 называют иногда супердуралюмином).

^ Высокопрочные алюминиевые сплавы (В), кроме меди и магния, содержат цинк. Интерметаллиды, придают им высокую прочности (в=550...700 МПа, 0,2>500 МПа при б>10%). Сплавы закаливают в воде (холодной или горячей) при 465...475°С и подвергают последующему старению при 135...145°С в течение 16 ч. По сравнению с дуралюминами высокопрочные сплавы обладают рядом недостатков: чувствительностью к концентраторам напряжений, пониженными усталостной прочностью и коррозирнной стойкостью под напряжениями. Сплавы В95 и В96 применяются в самолетостроении для нагруженных конструкций, длительно работающих при температуре выше 20...100°С (обшивка, шпангоуты, лонжероны, силовые каркасы строительных сооружений и т.д.).

^ Жаропрочные сплавы А1-Си-Mg-Si с добавками Fe, Ni (AK4-1) и Al – Cu – Mn – Si с добавками Ti и Zr (Д20) отличаются от других сплавов алюминия более сложным составом. В результате закалки с 525...535°С (АК4-1) и с 535°С (Д20) в воде и старения при 200,..220 °С сплавы приобретают высокую прочность (в=430...400 МПа) при достаточно высокой пластичности (6=12...13%), но главное, имеют высокую жаропрочность (до 300 °С). Из этих сплавов изготовляют обшивку сверхзвуковых самолетов, головки цилиндров, диски компрессоров турбореактивных двигателей и др.

^ Деформируемые сплавы, неупрочняемые термообработкой. Это сплавы с марганцем АМц (до 1,6% Мп) или магнием АМг (до 0,8% Мп и 5,8% Mg). Они упрочняются нагартовкой.

Холодная деформация на 20...30% повышает временное сопротивление ав, в два и более раза увеличивает предел текучести и в два и более раза снижает пластичность. Из нагартованных сплавов изготовляют сварные и клепаные элементы конструкций, не испытывающих больших нагрузок, но работающих в агрессивных средах. Так, сплавы АМц, АМг2, Амг3 применяются для изготовления трубопроводов, перегородок, палубных надстроек судов и т.д. Более нагруженные детали и конструкции (рамы и кузова вагонов, корпуса и мачты судов и др.) изготовляют из сплавов АМг5.

^ Литейные сплавы. Они отличаются хорошей жидкотекучестью, малой усадкой, достаточно высокими механическими свойствами.

Лучшими литейными свойствами обладают силумины АЛ – легкие литейные сплавы системы А1-Si на основе алюминия, содержащие 5...14% Si, в структуре которых присутствуют эвтектики, улучшающие литейные свойства. Свойства силуминов зависят от химического состава, технологии изготовления и термообработки.

Лекция 13. Тяжелые цветные металлы и их сплавы

1. Медь – тяжелый цветной (красно-розовый) диамагнитный металл, температура плавления 1083С, кипения - 2360С. Плотность 8,96 г/см3. Кристаллическая решетка - ГЦК. Не имеет аллотропических модификаций.

Механические характеристики чистой меди (прокатанной и отожженной): предел прочности 250...270 МПа; относительное удлинение 40...50%; относительное сужение 75%; твердость НВ45.

Согласно ГОСТу техническую медь делят на марки: высокой чистоты МЭ (99,995% Cu) М00 (99,99% Cu), М0 (99,95%), и технической чистоты М1 (99,9%), М2 (99,70%), М3 (99,5%), М4 (99%), М0б, М1р, М2р, М3р.

^ 2. Сплавы меди. Медные сплавы, сохраняя многие положительные свойства меди, обладают более высокими механическими и антифрикционными свойствами, лучшей технологичностью. Основные сплавы - латуни и бронзы.

Латунь – сплав меди с цинком. Латуни подразделяются на:

Простые (двойные): содержат только медь и цинк.

Сложные (легированные или многокомпонентные) - содержат один или несколько легирующих элементов.

Маркируются простые латуни буквой Л и цифрами, указывающими на содержание меди в процентах: Л96, Л70 и др. В обозначение марок специальных латуней после буквы Л добавляются буквы и цифры, показывающие соответственно наименование легирующих элементов и их процентное содержание. Содержание цинка определяется вычитанием суммарного количества меди и легирующих элементов из 100%.

3. Бронзы – сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка и никеля. Они обладают хорошими литейными и антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, в газовой атмосфере при высоких температурах и др. Сравнительно высокие механические свойства некоторых бронз могут еще быть повышены путем термообработки (закалки и старения). Изделия из бронз получают литьем, обработкой давлением и резанием.

Бронзы называют по основным легирующим элементам: оловянные, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и т, д. Обозначают бронзы двумя буквами Бр, затем ставят первые буквы основных легирующих элементов (О-олово, Ж - железо, Ф - фосфор, Б - бериллий, X - хром и т. д.) и цифры, показывающие их процентное содержание. Так, например, БрОФ10-1 содержит 10% олова и 1% фосфора, остальное - медь.

^ 4. Медно-никелевые сплавы.

Мельхиор – двойные и более сложные сплавы меди, отличаются высокой коррозионной стойкостью в морской воде, в органических кислотах, растворах солей и т.д. имеют высокую пластичность, применяются в морском судостроении, для изготовления разменной монеты, медицинского инструмента, деталей в точной механике, изделий ширпотреба (ложки, вилки), в установках для опреснения морской воды. Наиболее распространены мельхиоры марок МН19 (19% Ni) и МНЖМц30-1-1 (30% Ni, по 1% Fe и Mn). Дополнительное легирование железом и марганцем повышает коррозионную стойкость.

Нейзильбер – тройные (5...35% Ni, 13...45% Zn) и более сложные сплавы меди. Легирование цинком повышает их прочность по сравнению с мельхиорами. Они имеют красивый серебристый цвет, хорошую технологическую пластичность (холодную и горячую), не окисляются на воздухе, в растворах солей и органических кислот. Эти сплавы применяются для изготовления монет, деталей точной механики, работающих в агрессивных средах, изделий ширпотреба (ложки, вилки) и т.д.

Куниаль – тройные (Cu-Ni-Al) сплавы меди, отличаются коррозионной стойкостью, высокими механическими и упругими свойствами. Куниали могут значительно упрочняться термической обработкой: закалка с 900... 1000°С с последующим отпуском при 500...600°С приводит к распаду твердого раствора с выделением высокодисперсных фаз типа NiAl и NiAb. Применяются куниали для изготовления прутков повышенной прочности, полос для пружин.

Манганин имеет высокую технологическую пластичность, малую термоэлектродвижущую силу в контакте с медью и малый температурный коэффициент электросопротивления; прекрасный материал для изготовления проволоки для реостатов, точных электроизмерительных приборов.

^ Лекция 14. Пластмассы

Понятие о полимерах, их классификация и свойства. Основу неметаллических материалов составляют высокомолекулярные соединения (полимеры) - сложные вещества с большой молекулярной массой. Молекулы полимеров, имеющие значительно большие размеры, чем молекулы веществ с небольшой молекулярной массой, называются макромолекулами.

Различают полимеры: природные (натуральный каучук, целлюлоза, белки, природные смолы); искусственные (полученные переработкой природных полимеров); синтетические (фенолоформальдегидные и карбамидные смолы, полиэтилен, полистирол, полиамиды, эпоксидные смолы и др.).

По составу полимеры подразделяются на органические (наиболее распространены из них смолы и каучуки), отличающиеся эластичностью и прочностью; элементоорганические (в составе основной цепи встречаются атомы неорганических элементов - Ti, Si, A1 и др., придающие полимерам теплостойкость); неорганические - силикатные стекла, слюда и др. (их основу составляют окислы кремния, алюминия, щелочных и щелочноземельных металлов).

^ Состав, свойства и классификация пластмасс

Пластическими массами (пластмассами) называют материалы, полученные на основе природных; или синтетических полимеров. Из них под влиянием нагревания и давления можно получать изделия сложной конфигурации, устойчиво сохраняющие приданную форму и размеры после прекращения термомеханического воздействия,

Основу пластмасс составляют полимеры (смолы, чаще синтетические, реже эфиры целлюлозы) - связующие вещества, определяющие основные свойства пластмасс.

По составу различают простые и сложные пластмассы. К простым относятся пластмассы, состоящие только из полимера (полиэтилен, оргстекло и др.), к сложным - содержащие, кроме полимера, различные добавки - наполнители, красители, пластификаторы и др. (текстолит, гетинакс и др.). Введение добавок производится с целью воздействия на межмолекулярные силы полимеров, придания им специфических свойств и др.

Наполнители вводятся в количестве 40...70% (по массе) для улучшения механических свойств пластмасс, уменьшения усадки при отвердении, повышения стойкости к действию различных, сред, снижения их стоимости. По типу наполнителя пластмассы классифицируют следующим образом: порошковые (древесная мука, графит, тальк и др.); волокнистые (стекловолокно); слоистые, или листовые (бумага, хлопчатобумажная или стеклянная ткань, древесный шпон); крошкообразные (кусочки ткани, древесного шпона); газонаполненные (воздух или нейтральные газы, способствующие образованию замкнутоячеистой структуры - пенопласты - или сообщающихся пор - поропласты).

Пластификаторы (камфора, дибутилфталат, олеиновая кислота и др.) вводятся в количестве 10...20% для повышения пластичности массы при повышенной температуре и придания (большей упругости и морозостойкости отформированному изделию.

Стабилизаторы (крахмал, желатин, свинцовый сурик и др.) вводятся для придания пластмассам термостабильности, замедления процессов старения.

Отвердители (органические перекиси и др.) вводятся для «сшивания» макромолекул, превращающего линейную структуру полимера в трехмерную.

Для сокращения времени отвердевания вводятся катализаторы (известь, окись магния и др.).

По отношению к тепловому воздействию пластмассы делятся на две большие группы: термопластичные и термореактивные.

^ 3.Термопластичные пластмассы (термопласты). Основу термопластов составляют полимеры, имеющие линейную или разветвленную структуру, обладающую эластичностью. При тепловом воздействии термопласты не претерпевают химических превращений и не теряют способности к повторной переработке.

Среди термопластов наибольшее распространение получили целлулоид, полиэтилен, полистирол, фторопласты, прозрачные органические стекла (акрилаты), капрон и др. Как правило, термопласты относятся к простым пластмассам, хотя иногда к ним добавляют пластификаторы. Рассмотрим кратко некоторые виды термопластов.

Полиэтилен – продукт полимеризации газа этилена, механически достаточно прочен, сохраняет полученную при обработке форму до 60°С, хороший диэлектрик, морозостоек (до - 60°С). Это очень дешевый, легкий, водостойкий материал применяется в основном для изоляции проводов и кабелей, для изготовления пленок, емкостей и труб для агрессивных жидкостей.

Полистирол – твердый аморфный продукт полимеризации ненасыщенного углеводорода - стирола. Выпускается промышленностью в виде листов, стержней (блоков), порошка. Блочный полистирол прозрачен (его светопрозрачность достигает 90%), бесцветен. Высокий коэффициент преломления (1,60) позволяет использовать его для изготовления оптических стекол. Полистирол - хороший диэлектрик, широко применяется в качестве электроизоляционного материала для высокочастотной техники. Он растворяется в мономере (стироле), в бутилацетате и других растворителях. Нерастворим в спиртах и бензине.

При использовании полистирола в качестве конструкционного материала в учебных мастерских следует иметь в виду, что он легко режется ручными резаками и склеивается. Однако при резании надо проявлять осторожность - полистирол хрупок и легко ломается. Клей дли склеивания изделий из полистирола готовят, растворяя полистирол в стироле.

Фторопласт – кристаллический полимер, обладающий высокой химической стойкостью по отношению к кислотам, растворам щелочей, органическим растворителям, наилучшей морозостойкостью (до -195°С), хорошими антифрикционными свойствами.

Полиметилметакрилат (органическое стекло) – прозрачный бесцветный аморфный материал. Выпускают оргстекло в виде листов толщиной от 0,8 до 24 мм. Этот материал широко применяется в авиации, светотехнике и др.

Капрон – пластик на основе полиамидных смол, прочный, упругий, с низким коэффициентом трения, с очень высокой стойкостью к щелочам, бензину, спирту и другим веществам. Из капрона изготовляют подшипники скольжения, зубчатые колеса, втулки, пленки, волокна.

^ 4.Термореактивные пластмассы (реактопласты). Основу этих пластмасс составляют полимеры, которые в процессе отверждения претерпевают химические изменения и необратимо теряют способность к повторному формованию. Термореактивные пластмассы относятся к сложным: в их состав входят наполнители, отвердители и др.

Реактопласты подразделяются на пресс-порошки, компаунды, волокнистые и слоистые пластики.

Пресс-порошки получают на основе фенолоформальдегидных смол - фенопласты (карболиты), на. основе карбамидных смол - амины. В качестве наполнителей применяют молотый тальк, цемент, древесную муку и др. Теплостойкость фенопластов до 200°С, аминов до 100°С, но последние имеют лучший декоративный вид. Пресс-порошки идут для изготовления электроизоляционных деталей, бытовых изделий и др.

Компаунды получают на основе кремнийорганических полимеров с применением в качестве наполнителей кварцевого порошка, асбеста и др. Компаунды отличаются хорошими электроизоляционными свойствами, повышенной теплостойкостью (до 300°С) и др.

Волокниты имеют высокую ударную вязкость и применяются для изготовления шкивов, маховиков и др. Асбоволокниты отличаются теплостойкостью (до 200°С), хорошими фрикционными свойствами: идут для изготовления деталей тормозных устройств и др. Стекловолокниты применяются для изготовления изделий с повышенной механической прочностью и термостойкостью (корпусная изоляция коллекторов электромашин и т.д.).

Текстолиты – слоистые материалы, полученные путем прессования уложенной правильными слоями хлопчатобумажной ткани (бязь, батист, шифон, саржа и др.), пропитанной фенолоформальдегидными смолами. Они масло- и бензостойки, достаточно водостойки, имеют хорошие физико-механические свойства. Как конструкционный материал текстолит широко применяют в машиностроении для изготовления прокладочных колец шестерен, вкладышей подшипников, различных деталей в электро- и радиотехнике и т.д.

Гетинакс – дешевый электроизоляционный материал. В качестве наполнителя используют различные сорта бумаги. Гетинаксы применяются в электротехнике и в качестве облицовочного декоративного материала.

^ Лекция 15. Древесные материалы

Древесина широко используется в технике как строительный и поделочный материал, как сырье для производства целлюлозы, бумаги, этилового спирта, синтетического каучука, различных лаков, красок, кормовых дрожжей, хвойной муки и т.д. В растущем дереве можно условно выделить три части: корни, ствол и крону.

Корни дерева образуют сложную, широко разветвленную, многофункциональную систему. Мелкие корни всасывают из почвы воду с растворенными в ней минеральными солями и углекислотой и передают ее через крупные корни и ствол в крону (восходящий ток). Крупные корни удерживают дерево в вертикальном положении и хранят запас питательных веществ. Корни сосны используются при производстве скипидара и канифоли.

Ствол – это основная часть дерева, дающая товарную древесину. Его условно делят на верхнюю тонкую (вершинную) и нижнюю толстую (комлевую) части.

Крона дерева представляет собой совокупность вершины ствола, сучьев, ветвей и листвы (или хвои).

Разрезы ствола наиболее полно отражающие природу капиллярно-пористого строения древесины, называются главными. Различают три главных разреза: поперечный, или торцовый, – разрез плоскостью, перпендикулярной оси ствола; , радиальный – разрез плоскостью, проходящей вдоль ствола через его сердцевину; тангенциальный – разрез плоскостью, проходящей вдоль ствола на некотором расстоянии от его сердцевины.

Строение древесины, наблюдаемое на главных разрезах невооруженным глазом или при небольшом увеличении, называется макроскопическим. На поперечном и радиальном разрезах можно наблюдать основные анатомические структуры дерева: сердцевину, центральную часть, луб и кору. Сердцевина расположена примерно в центре ствола. У большинства пород она наблюдается в виде темного круглого пятнышка диаметром 2...5 мм (у бузины около 10 мм).

Центральная часть – основная по массе часть ствола. В зависимости от окраски центральной части различают породы ядровые и безъядровые. У ядровых пород центральная часть (ядро) окрашена темнее, периферическая зона, ограничивающая ядро (заболонь), окрашена светлее.

Ядровые породы подразделяются на хвойные (сосна, ель, лиственница, кедр, можжевельник, тис) и лиственные (дуб, ясень, ильм, карагач, грецкий орех, тополь, ива, рябина, яблоня и др.). Безъядровые породы, у которых окраска древесины и содержание в ней влаги по всей массе одинаковы, называются заболонными. К ним относятся береза, липа, ольха, граб, клен, груша, самшит и др.

Породы, у которых окраска древесины по всему разрезу одинакова, но центральная часть содержит меньше влаги, чем периферийная, называют спелодревесными. Древесина таких пород называется спелой, к ним относятся: хвойные – ель, пихта; лиственные – осина и бук.

Иногда у заболонных и спелодревесных пород центральная часть ствола окрашена темнее (главным образом под влиянием грибов) и образует так называемое ложное ядро.

Камбий – тонкий, не различимый невооруженным глазом слой, расположенный на границе между заболонью и лубом. Состоит из живых клеток, обусловливающих прирост древесины и коры.

Луб расположен между камбием и корой. В растущем дереве проводит питательные вещества от кроны вниз ствола (нисходящий ток).

Кора – наружный слой ствола дерева, предохраняющий его от резких колебаний температуры, испарения влаги и механических повреждений. По химическому составу кора резко отличается от древесины.

На поперечном разрезе стволов деревьев, произрастающих в умеренном климатическом поясе, можно заметить концентрически расположенные слои, окружающие сердцевину. В большинстве случаев каждый такой слой представляет собой ежегодный прирост древесины – годичный слой. Он состоит из двух зон, содержащих раннюю и позднюю древесину. Ранняя древесина образуется в весенний период – период интенсивного роста дерева. Она окрашена светлее и более рыхлая, чем поздняя, обладает невысокой механической прочностью и расположена с внутренней стороны годового слоя.

Поздняя древесина более темная, более плотная, расположена с наружной стороны годового слоя (обращена к коре).

Ширина годичных слоев зависит от породы древесины, условий ее произрастания и положения в стволе. Узкие годичные слои образуются у медленно растущих пород деревьев (самшит, дуб и др.), широкие – у быстрорастущих пород (тополь, ива и др.).

Сосуды имеют форму трубок различного диаметра и различной длины (в зависимости от породы дерева) и имеются только в лиственных породах. В зависимости от размеров и распределения сосудов по годичному слою различают кольцесосудистые и рассеянно-сосудистые породы

В кольцесосудистых породах сосуды четко разделяются по размерам (крупные и мелкие) и распределению: крупные сосредоточены в ранней зоне годичного слоя и образуют на поперечном разрезе пористое кольцо, а мелкие – в поздней зоне годичного слоя, где они заметны благодаря более светлой окраске.

В рассеянно-сосудистых породах нет резкого разделения сосудов по размерам, и располагаются они более или менее равномерно пой всему годичному слою. К рассеянно-сосудистым относятся береза, осина, ольха, липа, бук, клен, рябина и др.

Сердцевинные лучи есть в древесине всех пород. У немногих пород (дуб, бук, платан) они настолько широки, что ясно видны невооруженным глазом на поперечном разрезе. Большинство древесных пород имеют узкие, трудно различимые сердцевинные лучи. На радиальном разрезе древесины сердцевинные лучи заметны в виде поперечных полос различной величины. Сочетание их образует своеобразный рисунок (текстуру). На тангенциальном разрезе сердцевинные лучи имеют чечевицеобразную или веретенообразную форму.

В стволе древесины хвойных пород имеются вертикальные и горизонтальные смоляные ходы – тонкие, наполненные смолой каналы. Горизонтальные ходы проходят по сердцевинным лучам и; соединяются с вертикальными ходами.

^ Лекция 16. Стекло

Стеклом называют все аморфные тела независимо от химического состава и температурной области затвердевания, полученные путем переохлаждения расплава и приобретшие в результате постепенного увеличения вязкости механические свойства твердых тел.

Стекла подразделяются на природные и искусственные. Искусственные стекла бывают органическими и неорганическими.

Неорганическое стекло получают из неорганических материалов. Состав стекла может быть выражен формулой Me2ORO6SiO2, где группа Ме2О представляет собой окислы щелочных металлов (Na2O, K2О, Li2О), RO – окислы щелочноземельных металлов (СаО, ВаО), а также окислы свинца, цинка и других металлов. Ионы щелочных и щелочноземельных металлов называют модификаторами.

В зависимости от стеклообразующего окисла, на основе которого изготовляют стекло, различают силикатное (на основе SiO2), боратное (на основе В2О3), боросиликатное (на основе В2О3 и SiO2) и фосфатное (на основе Р2О5).

Структура стекла напоминает жидкость. Поэтому стекла рассматривают как переохлажденные жидкие растворы, в которых как бы «заморожено» беспорядочное расположение отдельных молекул, обладающих лишь колебательными движениями. Но в силикатных свеклах имеется пространственная сетка – кристаллический каркас, образуемый кремнеземом.

Сырьем для получения стекла служат кварцевый песок, борная кислота, бура, мел, известняк, мрамор, доломит, сода, сернокислый натрий и поташ. Среди вспомогательных материалов различают осветлители, окислители, красители, восстановители, глушители.

Осветлители вводят в расплав стекла для удаления газовых включений, образующихся при варке стекольной массы (трехокись мышьяка, натриевая селитра и др.). Окислители служат для обесцвечивания стекла (натриевая селитра, пиролюзит).

Красители используются для получения цветного стекла. Роль красителей выполняют соединения, чаще оксиды селена, хрома, кадмия и других металлов, а также золото.

Восстановители добавляют для восстановления оксидов, применяющихся в качестве красителей. Восстановителями служат древесный уголь, древесные опилки, кокс, металлический магний, алюминий, олово и др.

Глушители используются для получения непрозрачного кристаллического стекла с высокодисперсной структурой – опалового или молочного. Для этого в состав стекол вводят криолит, плавиковый шпат, кремнефтористый натрий, фосфат кальция, окислы цинка, циркония, титана, олова и другие вещества.

Широкое применение получило кварцевое стекло (состоит практически из одного SiO2). Оно обладает преимуществами перед обыкновенным стеклом; выдерживает высокую температуру (точка плавления кварца около 1500°С) и пропускает ультрафиолетовые лучи, которые обыкновенное стекло задерживает; имеет ничтожный коэффициент расширения – при нагревании или охлаждении объем стекла практически не изменяется (изделия из кварцевого стекла не боятся контраста температур).

Листовое стекло бывает:

  1. полированным (для остекления пассажирских быстроходных вагонов) и неполированным (для тихоходного транспорта);

  2. закаленным (для остекления тракторов, сельскохозяйственных машин, судовых иллюминаторов), закаленным эмалированным (окрашивают с одной стороны эмалевой краской и термически обрабатывают с целью закрепления слоя);

  3. безосколочным типа триплекс (трехслойная композиция, состоящая из двух стекол, соединенных вязкой прозрачной полимерной прослойкой, для остекления автомобилей).

В зависимости от назначения строительное и тарно-бытовое.

В строительстве применяют листовое оконное стекло, витринное, облицовочное, армированное, профильное, стеклоблоки и т.д. Строительное листовое стекло идет для остекления зданий (толщина 2...6 мм), витрин (толщина 6,5...8 мм), облицовки фасадов и внутренних помещений.

Из тарно-бытового стекла делают различную посуду, емкости для хранений и транспортировки жидкости и др.

4. Ситаллы

С помощью специальных методов обработки в 60-х годах нашего столетия был получен новый класс материалов – ситаллы. Они обладают сочетанием физических и механических свойств: имеют высокую прочность; жесткость выше, чем у сплавов алюминия, магния и даже титана твердость порядка 400...800 HB (4000...8000 МПа); очень высокое сопротивление истиранию и абразивному износу (почти как у сапфира).

Совокупность свойств ситаллов обеспечивается их строением – это многофазная поликристаллическая структура с аморфными прослойками остаточного стекла. Количество кристаллической фазы может находиться в пределах от 60 до 95%, структура / мелкозернистая (размеры кристаллов 0,01...1,0 мкм) и однородная. Ситаллы с 40% остаточного стекла сохраняют прозрачность.

Производство ситаллов осуществляется в три 3 этапа: варка стекла, формование изделий, ситаллизация.

По способу получения различают термо-, фото- и шлакоситаллы.

Термоситаллы получают путем двойного отжига стеклоизделий. Во время первого отжига сульфиды, фториды, окислы титана, магния, кальция и др. образуют большое количество центров кристаллизации. Второй отжиг проводится при более высокой температуре, его цель – кристаллизация на готовых центрах. В результате образуется мелкозернистая структура.

Фотоситаллы получают из светочувствительных стекол. При облучении ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами в стекле появляются свободные электроны, которые восстанавливают часть ионов до металлического состояния. Чем интенсивнее облучение, тем больше восстанавливается ионов Ag, Си, При последующем отжиге металлические ионы группируются, образуя коллоидные частицы металлов – центры кристаллизации.

Шлакоситаллы получают на основе доменного шлаки, катализаторами служат порошки железа, сульфиды, соединения фтора.

^ Лекция 17. Керамика

Металлокерамические твердые сплавы представляют собой твердый раствор карбидов вольфрама, титана и тантала (WC, TiC, TaC) в металлическом кобальте (Со). Твердые сплавы (HRA 86...92) обладают высокой износостойкостью и красностойкостью (800...1000°C); они делятся на три группы: одно-, двух- и трехкарбидные.

Однокарбидные твердые сплавы, которые содержат карбиды вольфрама, называют вольфрамокобальтовыми (группа ВК), В марках ВК3, ВК6, ВК8 цифра показывает процентное содержание кобальта, остальное – карбид вольфрама. Сплавы этой группы наиболее прочные, с увеличением содержания кобальта сплавы повышают сопротивление ударным нагрузкам, одновременно снижается износостойкость.

Двухкарбидные твердые сплавы помимо группы ВК содержат еще карбиды титана, поэтому их называют титановольфрамокобальтовыми (группа ТВК). В марках Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4 цифры после буквы «Т» показывают процентное содержание карбидов титана, после буквы «К» – содержание металлического кобальта, остальное – карбиды вольфрама. Эти сплавы менее прочны и более износостойки, чем сплавы первой группы.

Трехкарбидные твердые сплавы содержат еще и карбиды тантала и поэтому называются титанотанталовольфрамокобальтовыми (группа ТТК). В марках ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 цифра перед буквой «К» показывает суммарное процентное содержание карбидов титана и тантала, после буквы «К» – содержание металлического кобальта, остальное – карбиды вольфрама. Сплавы обладают повышенными прочностью, износостойкостью и вязкостью.

Литература

Основная

  1. Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка): Учеб. пособие. – 4-е изд. – М.: Академия, 2006.

  2. Барташевич А.А. Материаловедение: Учеб. пособие. – Ростов н/Д, 2004.

  3. Жихарев А.П. Материаловедение: Учеб. пособие. – М.: Академия, 2005.

  4. Комаров О.С. Технология конструкционных материалов. – Мн.: Новое знание, 2005. – 559 с.

  5. Фетисов Г.П., Карпман М.Г., Соколов В.С. и др. Материаловедение и технология металлов. – М.: Высш. шк., 2001. – 637 с.


Дополнительная

  1. Алаи С.И., Ежевская Р.А., Антоненко Е.И. Практикум по машиноведению. – М.: Просвещение, 1985. – 304 с.

  2. Некрасов С.С. Практикум по технологии конструкционных материалов и материаловедению. – М.: Агропромиздат, 1991. – 287 с.

  3. Самохоцкий А.И. Лабораторные работы по материаловедению и термической обработке металлов. – М.: Машиностроение, 1981. – 174 с.




оставить комментарий
страница8/8
Дата05.11.2011
Размер1,03 Mb.
ТипУчебно-методический комплекс, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы: 1   2   3   4   5   6   7   8
отлично
  3
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

наверх