Материаловедение (технология конструкционных материалов)

Учебно-методический комплекс

Редактор М.Ю. Комарова

Оригинал-макет выполнил А.В. Сивенков

Лицензия ЛР № 202308 от 14.02.97г.

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953 Л.005641.11.03 от 21.11.2003 г.

_____________________________________________________________________________________

Подписано в печать ____.05.2008. Формат 6084¹/₁₆.

Б. кн. -журн. П.л. ______. Б.л. ______. Изд-во СЗТУ.

Тираж _______. Заказ _______

________________________________________________________________________

Северо-Западный государственный заочный технический университет

Издательство СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации

университетов России

191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5

1К сожалению в учебных планах рядя специальностей эти дисциплины изучаются параллельно или позже курса материаловедения. В таком случае материаловедческая подготовка будет полезна для освоения этих дисциплин.

1 Все изложенное в этом разделе в общих чертах справедливо для любых металлических (металлов и сплавов) и неметаллических материалов.

1 Из (1.1.2) видно, что прочностные характеристики измеряются в Н/м² = Па или кгс/мм² = 10МПа.

2 От нем. Härte – твердость.

1 Прямой метод изучения структуры – микроанализ - исследование микроструктуры материалов с помощью микроскопов; ему посвящен ряд лабораторных работ.

1 В дальнейшем всюду, где требуется сокращение записи, цементит обозначен буквой Ц.

1 Железо, существующее в интервале 1392…1539 ^оС, часто обозначают как δ–Fe (Fe_δ), хотя это та же модификация α.

1 Всюду в данном пособии твердость по Бринеллю (НВ) дается в МПа.

2 Такие структуры формируются в соответствии с диаграммой фазового равновесия Fe–Ц при очень медленном охлаждении из жидкого состояния. Быстрое охлаждение может привести к появлению иных структур (см. тему 2.2).

3 В легированных сталях с большим количеством специальных примесей структура может принципиально измениться по сравнению с рассматриваемыми здесь углеродистыми сталями (см. тему 2.3).

1 По сравнению с Ф, присутствующим в перлите.

2 Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы в сплавах, содержащих > 2,14 %С, принято называть первичным (Ц_I).

1 Помимо рассмотренных есть еще три структуры белых чугунов (подробнее в 2.1.4).

1 Именно поэтому в реальных изделиях из заэвтектоидных сталей сетку Ц_ специальной термомеханической обработкой преобразуют в мелкие равномерно распределенные кристаллики "зернистого цементита".

1 К конструкционным относят так же стали с высоким содержанием углерода (0,6…0,85 %С). Эти стали (марки 60, 65, 70, 75, 80, 85) применяют главным образом в качестве рессорно-пружинных, а также для деталей с повышенными требованиями по прочности, упругости и износостойкости (шпиндели, эксцентрики, диски сцепления, прокатные валки и др.)

1

¹ Перлитное превращение (формула 2.) называется эвтектоидным, что означает "похожее на эвтектическое"; разница в том, что исходной фазой эвтектоидного превращения является не жидкая, а какая-то (третья) твердая фаза (в данном случае аустенит).

1 Отсюда их название – более темный по сравнению с белыми чугунами оттенок излома.

1 Наилучшим образом такое состояние достигается путем отжига (см. ниже раздел 2.2); практически же часто имеется в виду исходное «сырое» состояние поставки стали.

1 Стали, в которые специально вводятся примеси – легирующие элементы (см. ниже, раздел 2.3); очевидно, они еще дороже качественных углеродистых, поэтому экономически нецелесообразно использовать изделия из этих сталей в неупрочненном состоянии.

2 Обычно перед закалкой делается отжиг для улучшения структуры заготовок и облегчения механической обработки. Отжиг – нагрев стали до аустенитного состояния и последующее медленное охлаждение с печью, в результате чего формируется равновесная структура в стали в соответствии с диаграммой Fe–Ц.

1 Поскольку в до – и заэвтектоидных сталях помимо перлитного превращения (2.2.1) происходят изменения в структуре на линияхА₃ и А_сm диаграммы Fe–Ц, то и «С – диаграммы» этих сталей выглядят сложнее. Однако главные процессы, происходящие при закалке сталей, могут быть поняты с помощью наиболее простой диаграммы, приведенной на рис. 2.2.2.

2 Названия последних структур – по фамилиям исследователей: Sorby и Troost.

1

Это осуществляется использованием закалочных сред с различными охлаждающими способностями.

1

В общем случае под закалкой понимают сохранение высокотемпературного состояния с помощью быстрого охлаждения сплава.

1 Такой низкий предел растворимости С в α–Fe обусловлен отсутствием в ОЦК решетке феррита необходимых по размеру межатомных пустот для размещения атомов углерода.

1

В легированных сталях это – вторичные карбиды легирующих элементов.

1 В ряде случаев для устранения остаточного аустенита используют специальный высокотемпературный отпуск (например, в быстрорежущих сталях).

1 Желательно также выполнение лабораторных работ 7 и 8.

1  Возможна также определенная ориентация деформированных зерен - текстура. Все это приводит к анизотропии свойств поликристаллического материала.

1 Температура плавления (t_пл) и соответственно t_р в формуле (3.1) выражается в абсолютной шкале, т.е. в К.

1 Железо, существующее при t>1392 ^оС, часто обозначают как Fe_  (-Fe), хотя это та же модификация  (т.е. Fe_ ). 

1 Высокотемпературный (t>1392 С) феррит на рис. 4.1 обозначен как Ф_ (см. примечание¹ на стр. 134).

2  Здесь и ниже твердость по Бринеллю (НВ) дается в МПа. 

1  Согласно диаграмме состояния Fe-Fe₃C перлит содержит 0,8 % С. Это позволяет определять содержание углерода в стали при микроскопическом изучении ее структуры по методике, подобной той, которая использовалась в работе 2 для определения химического состава сплавов, содержащих эвтектику. Например, процентное содержание углерода в доэвтектоидных сталях равно 0,01(0,8S), где S - относительная площадь (в %), занимаемая перлитом в структуре (на микрошлифе) изучаемой стали.

1 Все достаточно ответственные стальные изделия подвергаются закалке и отпуску - термической обработке, формирующей оптимальный комплекс механических свойств (работа 6). Однако и после термической обработки сохраняется принципиальный характер зависимости свойств от содержания углерода - увеличение содержания углерода приводит к возрастанию прочности (твердости) и хрупкости стали.

2 В этой группе сталей есть также стали с высоким содержанием углерода (0,6...0,85 % С) - 60, 65, 70, 75, 80, 85. Эти стали применяют в основном в качестве рессорно-пружинных, а также для изготовления ответственных деталей с повышенной прочностью и износостойкостью (шпиндели станков, прокатные валки и др.). 

1Представление о механических свойствах белых чугунов можно получить, экстраполируя зависимости, приведенные на рис. 4.2, на большие содержания углерода.

2 По оси абсцисс откладывается толщина стенок отливки L . Очевидно, что возрастание L соответствует уменьшению скорости охлаждения V_охл. 

1 Обычно серые чугуны содержат 3,5...3,6 %С и 1,5...3,0 %Si. 

1  В сталях, охлажденных при закалке до комнатной температуры, в структуре остается некоторое количество непревращенного (остаточного) аустенита. Количество остаточного аустенита возрастает с увеличением содержания углерода (и легирующих элементов) в стали.

2 Повышение температуры нагрева стали под закалку приводит к резкому возрастанию зерна аустенита. При закалке (мартенситном превращении) кристаллы мартенсита наследуют размер зерна аустенита, образовавшегося при нагреве.

1  Специальным легированием получают также стали ферритного и ледебуритного классов.

2 Данный принцип классификации сталей по назначению (подробнее см стр. 134) отражает лишь основную тенденцию. Реально к конструкционным относятся также рессорно-пружинные (0,5...0,7 %С) и шарикоподшипниковые (~1 %С) стали, а, например, инструментальные штамповые стали для ударного деформирования металла содержат 0,3...0,6 % С. 

1  Важным следствием уменьшения величины V_кр при легировании является то, что закалку на мартенсит можно производить не в воде, а в масле и даже на воздухе, т.е. с меньшими скоростями. Такое охлаждение существенно снижает внутренние напряжения в закаленных изделиях и соответственно - опасность возникновения трещин и коробления. 

1 Практическую часть работы по определению прокаливаемости стали одна группа студентов выполняет на образце углеродистой стали (например, 40), вторая - на образце легированной стали с тем же содержанием углерода (например, 40Х). 

1 Кроме того, применяются сверхтвердые минералокерамические материалы, например, нитрид бора с теплостойкостью до 1200 С. 

1  В связи с дефицитностью W разработаны также быстрорежущие стали с малым его содержанием (Р3М3Ф3) и даже безвольфрамовые (Р0М5Ф1, Р0М3Ф2). 

1

В литом состоянии ‑латуни имеют дендритную структуру - светлые дендриты, обогащенные медью, на темном фоне междендритных областей. После деформации и отжига ‑латуни имеют зернистую структуру химически однородного ‑раствора. Структура двухфазных (+)-латуней состоит из светлых зерен ‑раствора и темных зерен ‑фазы. 

1 Буквы после обозначения “Бр” указывают легирующие элементы, а цифры - их процентное содержание. 

1 При закалке наиболее легированных шарикоподшипниковых сталей возможно сохранение в структуре до 10...15 % остаточного аустенита (см. работу 7). Для его уничтожения применяют обработку холодом - охлаждение закаленной стали ниже температуры окончания мартенситного превращения (М_к): -70...-80 С. 

1 Для отверждения некоторых видов смол присутствие отвердителя не обязательно, достаточно лишь нагревания.