- •С. В. Сапунов
- •1.2. Мировое производство материалов
- •1.2.1. Черные и цветные металлы
- •1.2.2. Преимущества и недостатки стали
- •1.2.3. Принципы маркировки и сортамент материалов
- •Обозначения стали 45
- •1.3. Строение металлов
- •1.3.1. Основные типы кристаллических решеток
- •1.3.2. Дефекты в кристаллах
- •1.4. Строение металлического слитка
- •1.5. Деформация и разрушение металлов
- •1.6. Возврат и рекристаллизация
- •1.6.1. Структура и свойства сплавов после горячей обработки давлением
- •1.7. Механические свойства материалов
- •1.7.1. Испытание на растяжение
- •1. Характеристики прочности
- •2. Характеристики пластичности
- •1.7.2. Определение твердости
- •1. Определение твердости по Бринеллю
- •2. Определение твердости по Роквеллу
- •3. Определение твердости по Виккерсу
- •1.7.3. Определение ударной вязкости при изгибе
- •1.8. Полиморфные превращения
- •1.9. Строение сплавов
- •1.10. Диаграмма состояния железо – цементит
- •Механические свойства основных структурных составляющих сталей и чугунов
- •1.11. Железо и сплавы на его основе
- •1.12. Легирующие элементы в стали
- •1.12.1. Структурные классы легированных сталей
- •1.12.2. Цели легирования
- •Раздел 2 управление свойствами металлов и сплавов
- •2.1. Термическая обработка
- •2.1.1. Отжиг
- •2.1.2. Закалка и отпуск
- •2.1.3. Старение сплавов
- •2.2. Термомеханическая обработка
- •Сравнительные данные по механическим свойствам
- •2.3. Деформационное упрочнение
- •2.4. Химико-термическая обработка
- •Раздел 3 промышленные материалы
- •3.1. Классификация сталей
- •3.2. Конструкционные стали и сплавы
- •3.2.1. Углеродистые стали
- •3.2.2. Легированные стали
- •3.2.3. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
- •3.3. Инструментальные стали и сплавы
- •3.4. Чугуны
- •3.5. Магний и сплавы на его основе
- •3.6. Алюминий и сплавы на его основе
- •Классификация алюминиевых сплавов
- •3.7. Титан и сплавы на его основе
- •3.8. Медь и сплавы на ее основе
- •3.9. Тугоплавкие металлы и сплавы
- •3.10. Антифрикционные материалы
- •3.11. Полимеры и пластмассы
- •3.12. Композиционные материалы
- •Библиографический список
- •Приложение а
- •Приложение б Кратные и дольные приставки к физическим единицам
- •Содержание
1.12.1. Структурные классы легированных сталей
Исходя из структуры, получаемой после охлаждения на воздухе небольших образцов, нагретых до температуры 900оС, различают следующие классы легированных сталей: перлитный, бейнитный, мартенситный, ферритный, аустенитный и карбидный (ледебуритный). Стали перлитного и бейнитного класса содержат сравнительно небольшое количество легирующих элементов; мартенситные – больше, а ферритные, аустенитные и карбидные – еще большее количество легирующих элементов.
1.12.2. Цели легирования
Достижение мелкозернистой структуры для повышения механических свойств (прочности, твердости, пластичности, вязкости).
Достижение специальных свойств (коррозионной стойкости, кислотоупорности, жаростойкости или жаропрочности, высокого электросопротивления, определенного коэффициента линейного расширения, особых магнитных свойств и т. п.).
Достижение лучших технологических свойств (обрабатываемости резанием, жидкотекучести, свариваемости и др.).
Увеличение прокаливаемости (уменьшение критической скорости закалки) с целью снижения закалочных напряжений, а, следовательно, снижения вероятности растрескивания и коробления закаливаемых деталей.
Раздел 2 управление свойствами металлов и сплавов
2.1. Термическая обработка
Термическая обработка (в дальнейшем – ТО) является самым распространенным способом управления свойствами металлических материалов; в машиностроении ей подвергается до 40% потребляемой стали. ТО состоит из трех этапов: нагрева до заданной температуры; выдержки для прогрева материала по всему объему и завершения фазовых превращений; охлаждения до комнатной температуры с определенной скоростью (решающими являются температура нагрева и скорость охлаждения). Желаемое изменение свойств материалов может быть в очень широких пределах; например, сталь становится пластичной и низкопрочной после отжига; эту же сталь можно сделать твердой, прочной и малопластичной с помощью закалки.
К основным видам ТО относятся: отжиг, закалка, отпуск и старение.
В зависимости от места в технологическом процессе ТО подразделяется на предварительную и окончательную.
Предварительная ТО, как правило, производится для улучшения технологических свойств заготовок (перед обработкой резанием, холодной штамповкой, прокаткой и т. п.). В качестве предварительной ТО для сталей, как правило, применяют различные виды отжига.
Окончательная ТО производится для придания деталям требуемых эксплуатационных свойств. В качестве окончательной ТО для сталей чаще всего применяют закалку с отпуском, а для многих высокопрочных цветных сплавов – закалку со старением.
2.1.1. Отжиг
Отжигом называется процесс ТО, состоящий в нагреве до заданной температуры, выдержки и сравнительно медленном охлаждении со скоростью 30–200С/ч, т.е. вместе с печью, а иногда – на воздухе.
В зависимости от степени происходящих при нагреве превращений различают полный отжиг, когда в сталях полностью протекают фазовые (α ↔ γ) превращения, и неполный отжиг, когда из-за недостаточной температуры указанные превращения проходят лишь частично или не проходят вовсе.
Полный отжиг позволяет создать в доэвтектоидных сталях равновесную мелкозернистую ферритно-перлитную структуру, соответствующую диаграмме состояния Fe – Fe3C (см. рис. 1.20); для этого сталь нагревают на 30–50С выше линии А3 – GS (рис. 2.1), выдерживают, а затем медленно охлаждают вместе с печью. Полному отжигу обычно подвергают сортовой прокат из стали с 0,3–0,4% С, поковки и фасонные отливки. Полный отжиг заэвтектоидных сталей не производят из-за образования хрупкой цементитной сетки на границах зерен перлита (см. рис. 1.21, в).
Рис. 2.1. Температурные интервалы нагрева при ТО
Изотермический отжиг является разновидностью полного отжига, его применяют для легированных сталей, обладающих большей устойчивостью аустенита. Сталь нагревают до требуемой температуры и сравнительно быстро охлаждают переносом в другую печь с температурой на 100–150С ниже линии А1 – PK. В этой печи сталь выдерживают 1–6 ч до полного распада аустенита, а затем производят охлаждение на воздухе. Изотермический отжиг более экономичен чем традиционный (так как происходит быстрее); его часто используют для обработки мелких поковок и сортового проката из легированных цементуемых сталей.
Нормализация является экономичный разновидностью полного отжига и заключается в том, что после нагрева на 40–50С выше А3 (или Аcm – SE на рис. 1.20), заготовку охлаждают на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, прокатке, ковке или штамповке; ее, в частности, широко применяют для улучшения механических свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска. Ускоренное охлаждение приводит к некоторому повышению твердости, но в ряде случаев это даже улучшает обрабатываемость резанием.
Неполный отжиг обычно производят при нагреве на 10–30С выше линии А1 для улучшения обрабатываемости резанием доэвтектоидных легированных и заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. При этом в заэвтектоидных сталях происходит сфероидизация цементита, что позволяет существенно снизить их твердость и повысить пластичность.
Низкий отжиг обычно производят при 650–680С (т.е. ниже линии А1) для снижения твердости углеродистых и легированных сталей перед обработкой резанием, холодной высадкой или волочением.
В зависимости от конкретного назначения различают также следующие отжиги.
Диффузионный (гомогенизационный) отжиг – применяется для слитков легированной стали с целью уменьшения неоднородности химического состава. Проводится в течение 15–150 ч при температуре 1000–1100С, охлаждение происходит вместе с печью.
Рекристаллизационный отжиг – проводится перед или между операциями холодной обработки давлением (прокатке, штамповке, волочении и др.) для снятия наклепа между операциями деформирования и повышения пластичности материала. Для сталей температура нагрева обычно составляет 650–700С.
Отжиг для снятия остаточных напряжений – применяется для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием и т. п., в которых в результате технологических операций из-за неравномерного охлаждения или пластической деформации возникают остаточные напряжения. Для сталей обычно проводится при температуре 350–600С в течение нескольких часов, охлаждение проводится вместе с печью.
Отжиг в большинстве случаев является предварительной или промежуточной ТО, так как он повышает вязкость и пластичность, но снижает прочность и твердость; однако для крупных отливок и сварных конструкций отжиг зачастую становится окончательной ТО.