Розділи курсу матеріалознавства

РОЗДІЛИ КУРСУ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА

 

1. Атомно-кристалічна будова металів

2. Кристалізація металів та сплавів

3. Пластична деформація і руйнування. Вплив нагрівання на структуру і властивості деформованого металу

4. Теорія сплавів

4.1. Будова сплавів

4.2. Діаграми стану подвійних систем

- Діаграма стану у випадку повної розчинності компонентів у рідкому і твердому станах. Правило відрізків

- Діаграма стану сплавів з обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані6 діаграма з евтектикою; діаграма з перитектикою

- Діаграма стану сплавів, компоненти яких утворюють хімічну сполуку

- Діаграма стану для сплавів з поліморфним перетворенням

4.3. Фізичні та механічні властивості сплавів у рівноважному стані. Правило Курнакова

5. Діаграма стану „залізо-цементит”

6. Теорія термічної обробки

7. Технологія термічної обробки сталі

8. Хіміко-термічна обробка

9. Конструкційні сталі

10. Інструментальні сталі

11. Кольорові метали та сплави

АТОМНО-КРИСТАЛІЧНА БУДОВА МЕТАЛІВ

Під атомно-кристалічною будовою розуміють упорядковане розміщення атомів, які утворюють кристалічну решітку. Кристалічна решітка являє собою уявну просторові сітку, у вузлах якої розміщені атоми (іони), що утворюють тверде кристалічне тіло.

У металі, який знаходиться у твердому стані, атоми фіксовані у відповідному положенні один відносно одного, проте вони не є нерухомими, а безперервно коливаються відносно певного середнього положення.

Найменший об’єм кристалічних решіток, який дає уявлення про атомну структуру металу, називається елементарною кристалічною коміркою. Для опису елементарних кристалічних комірок використовують шість величин: ребра комірки - a, b, c (параметри комірки, періоди решітки); кути між ребрами - α, β, γ. Густина кристалічної решітки характеризується координаційним числом і базисом. Координаційне число - число атомів, розташованих на рівній і найменшій відстані від даного атома. Базис - число цілих атомів на одну комірку.

Багато металів залежно від температури можуть існувати в різних кристалічних формах, або модифікаціях. Перетворення кристалічної решітки одного типу на кристалічну решітку іншого типу називається поліморфним перетворенням.

Методичні рекомендації

В цьому розділі необхідно розглянути типи хімічного зв'язку у твердих тілах. Основну увагу зверніть на особливий тип металевого зв'язку. Металевий тип зв'язку обумовлює відмінні властивості металів: високу електропровідність і теплопровідність, високу пластичність і металевий блиск. Розгляньте основні типи кристалічних решіток. Визначте періоди, координаційне число та базис решітки. Визначте дефекти кристалічної будови: точкові, лінійні і просторові. Проаналізуйте явища анізотропії і поліморфізму.

Питання для самоперевірки

1. У чому сутність металевого, іонного і ковалентного типів зв’язку?        2. Наведіть характерні властивості металів і поясніть чим вони визначаються? 3. Дайте характеристику явищу анізотропії властивостей кристалів. 4. Дайте характеристику явищу поліморфізма? 5. Визначте основні типи кристалічних решіток.  6. Визначте дефекти кристалічної будови і дайте їм характеристику. 

Методичні рекомендації

В цьому розділі необхідно розглянути залежність вільної енергії металу в рідкому та твердому станах від температури. Визначити рівноважну температуру кристалізації (плавлення). Розглянути криві охолодження при кристалізації металу з різними швидкостями. Механізм і параметри процесу кристалізації.

Питання для самоперевірки

1. Визначте енергетичні і температурні умови процесу кристалізації. 2. Що називається ступенем переохолодження і як на нього впливає швидкість охолодження? 3. Визначте стадії процесу кристалізації. Визначте вплив   ступеню  переохолодження    на  розмір  критичного        зародка. 4. Проаналізуйте способи регулювання розмірів зерен в процесі кристалізації. 5. Визначте фактори, які впливають на форму кристалів. Дайте характеристику зонам металевого зливка.

 

Методичні рекомендації

В даному розділі необхідно розглянути фізичну природу деформації і руйнування. Особливу увагу приділіть механізму пластичної деформації, її впливу на структуру металу, а також на щільність дислокацій. Розберіться в сутності явища наклепу і його практичному використанні.

Необхідно знати сутність рекристалізаційних  процесів: повернення, первинної рекристалізації, вторинної рекристалізації, що протікають при нагріванні деформованого металу. Усвідомити, як при цьому змінюються механічні і фізико-хімічні властивості. Встановити вплив складу сплаву і ступеня пластичної деформації на протікання рекристалізаційних процесів.

Питання для самоперевірки

1. Поясніть у чому полягає різниця між пружною і пластичною деформаціями? 2. Як змінюється будова металу в процесі пластичного деформування?  3. Як змінюється щільність дислокацій при пластичній деформації? 4. Як впливають дислокації на міцність металу? 5. Чому спостерігається величезне розходження теоретичної і практичної міцності? 6. Як впливає зміна будови на властивості деформованого металу? 7. У чому сутність явища наклепу і яке він має практичне використання? 8. Проаналізуйте процеси, які протікають в деформованому металі при нагріванні. 8. Як змінюються властивості деформованого металу при нагріванні? 9. Яке призначення рекристалізаційного відпалу і як він здійснюється?

ТЕОРІЯ СПЛАВІВ

Сплав – це речовина, яку одержують сплавленням двох або більш компонентів. До інших методів отримання сплаву відносяться спікання, електроліз, сублімація. У цьому випадку речовини називають псевдосплавами, але найбільш поширеним є виробництво сплавів через сплавлення різних елементів (речовин). У виробництві переважно використовують не чисті метали чи неметали, а сплави металів з металами або з неметалами, бо вони мають більш високі властивості. Крім того, сплавлення дає змогу в широких межах змінювати в потрібному напрямку ці властивості.

Слав, який одержують переважно з металевих елементів і має металеві властивості, називають металевим сплавом, будова якого безпосередньо залежить від того, як взаємодіють компоненти сплаву. У твердому стані може не бути хімічної взаємодії між компонентами – простими речовинами, які утворюють сплав. Тоді сплав являє собою механічну суміш окремих частинок, зерен компонентів.

Складові сплаву можуть взаємодіяти, утворюючи хімічні сполуки, взаємно розчинятися, утворюючи розчини. Крім розчинів та хімічних сполук, можливо утворення таких фаз, які не належать до згаданих і є проміжними.

Фаза – це однорідна частина системи, яка відокремлена від інших частин поверхнею поділу, при переході через яку різко змінюються склад і властивості.

Під структурою розуміють форму, розміри та взаємне розташування фаз у матеріалі.

Тверді розчини – це фази змінного складу, в яких атоми іншого елементу В розміщуються у решітці елементу А, не змінюючи їх типу. Розміщення відбувається заміщенням або шляхом проникнення атомів В між вузлами граток А. У першому випадку розчини називають твердими розчинами заміщення, у другому – твердими розчинами проникнення.

Тверді розчини заміщення. У цьому випадку атоми розчиненої речовини розподіляються у решітці розчинника шляхом заміщення атомів останнього. Утворення твердих розчинів завжди супроводжується збільшенням електроопору; тверді розчини менш пластичні і завжди твердіші порівняно з чистими металами. Якщо розміщення атомів закономірне, твердий розчин називають впорядкованим. При впорядкованості зменшується електроопір, пластичність, збільшується твердість і міцність. Впорядковані тверді розчини зустрічаються у системах із значною або необмеженою розчинністю у твердому стані. Необмежена розчинність у твердому стані має місце у сплавах міді із золотом, міді з нікелем, германію з кремнієм.

Тверді розчини проникнення. Такі тверді розчини утворюються при сплавленні перехідних металів з неметалами, які мають малий атомний радіус – H, N, C, B. Прикладом твердих розчинів проникнення, які мають промислове значення, можуть бути розчини вуглецю в Fe_γ Fe_α. Викривлення решітки розчинника при цьому значно більше, ніж у твердих розчинах заміщення. У зв'язку з цим більш різко змінюються властивості. При збільшенні кількості розчиненого елемента в твердих розчинах проникнення помітно збільшується електроопір, коерцитивна сила, твердість, міцність, але помітно знижується пластичність, в'язкість.

У сплавах, які складаються більш ніж з двох компонентів, можлива розчинність в одному розчинникові шляхом заміщення і проникнення. Наприклад, при сплавленні заліза з марганцем і вуглецем виникає твердий розчин, в якому марганець розчиняється шляхом заміщення, а вуглець – шляхом проникнення.

Також тверді розчини можуть виникати і на базі хімічних сполук. У цьому випадку зберігаються решітка хімічної сполуки А_nВ_m, але надлишкова кількість атомів, наприклад, В, розчиняється, заміщуючи у гратках певну кількість атомів А. Можлива також розчинність і третього елемента С у хімічній сполуці.

Тверді розчини становлять основу більшості промислових конструкційних сплавів і сплавів спеціального призначення. Слід підкреслити то, що тверді розчини – це кристали, найбільш близькі за властивостями до розчинника, бо зберігають його решітку і тип зв'язку. Наприклад, тверді розчини на базі металів відрізняються високою технологічною пластичністю; добре деформуються у гарячому стані, а багато з них – у холодному.

Проміжні фази. Кристали, які утворюються різними елементами і мають особливий стан кристалічних решіток, відмінних від решіток цих елементів, називають проміжними фазами.

 

Діаграма з евтектикою

Компоненти: А.В.

Фази: L – рідка фаза, α – твердий розчин компонента В у компоненті А; β – твердий розчин компонента А у компоненті В.

У цій системі не утворюються фази, що являють собою чисті компоненти. З рідини можуть виділятися тільки тверді розчини α і β.

Лінія DF – показує граничну розчинність компонента В у А. Лінія CG – граничну розчинність компонента А у В. Сплави, які розмістилися між цими лініями за межею розчинності складаються з двох фаз α+β.

 

Рис. 2. Діаграма з евтектикою

 

Лінія AEB цієї діаграми називається лінією ліквідус; лінія ADECB – лінією солідус. За допомогою правила фаз та правила відрізків можна простежити за процесом кристалізації будь-якого сплаву.

Евтектикою називають структуру, яка складається з певного поєднання двох (або більше) твердих фаз, що одночасно кристалізуються з рідкого сплаву. Сплави, в яких відбувається одночасна кристалізація двох (або більше) фаз при постійній і найнижчий для даної системи температур, називають евтектичними. Ті сплави, які лежать лівіше точки Е, називають доевтектичними, правіше – заевтектичними.

Якщо відбувається евтектичне перетворення, рідина кристалізується з утворенням двох твердих фаз.

Діаграма з перитектикою

Перитектичне перетворення спостерігається у багатьох промислових сплавах, наприклад, у сплавах Fe-C (до 0,51 %С), Cu-Zn, Cu-Sn.

На відміну від евтектичного перетворення можливий і інший тип нонваріантного перетворення (трифазової рівноваги), коли рідина взаємодіє з кристалами, які раніше випали, і утворює новий вид кристалів. Реакція подібного типу називається перитектичною.

Рис. 3. Діаграма з перитектикою

 

На діаграмі показано три однофазні зони: рідина – L і обмежені тверді розчини α і β. АСВ – лінія ліквідус, APDB – лінія солідус.

 

Питання для самоперевірки

1. Дайте визначення: компонент, фаза, фізико-хімічна система, число ступенів свободи? 2. Що являють собою  тверді розчини  заміщення і впровадження?     3. Визначте методи побудови діаграм стану? 4. Наведіть рівняння правила фаз і поясніть фізичний смисл числа ступенів свободи. 5. Поясніть принцип побудови кривих нагрівання й охолодження за допомогою правила фаз. 6. Як буде виглядати ділянка кривої охолодження, якщо число ступенів свободи дорівнює двом і існує одна фаза? Те ж, для числа ступенів свободи, рівного одиниці, у випадку випадання твердої фази з рідкої. Те ж, для числа ступенів свободи, рівного нулю. 7. Яким чином визначаються концентрація фаз і їх кількісне співвідношення? 8. У чому розходження між евтектичною і перитектичною кристалізаціями? 9. У чому розходження між евтектоїдним і евтектичним перетвореннями? 10. Проаналізуйте зв’язок між типом діаграми стану і властивостями сплавів за прави­лом Курнакова.

Методичні рекомендації

Студент зобов'язаний уміти на пам'ять накреслити діаграму стану залізо — цементит і визначити усі фази і структурні складові цієї системи, а також будувати за допомогою правила фаз криві охолодження (чи нагрівання) для будь-якого сплаву; чітко розбиратися в класифікації залізовуглецевих сплавів і засвоїти, що розходження між трьома класами (технічне залізо, сталь, чавун) не є формальним (по вмісту вуглецю). Різні класи сплавів принципово різні за структурою і властивостями. Необхідно знати, що технічні залізовуглецеві сплави складаються не тільки з заліза і вуглецю, але обов'язково містять постійні домішки, що попадають у сплав у результаті попередніх операцій при виплавці.

Розберіть діаграму стану залізо — графіт, що по графічному накресленню майже не відрізняється від діаграми залізо — цементит, що полегшує її запам'ятовування. Кількісні зміни в положенні ліній діаграми стосуються зсуву эвтектичної і эвтектоїдної ліній у крапці S' і Е'. Якісна зміна полягає в заміні цементиту графітом в структурі у всіх випадках.

Усвідомте вплив постійних домішок на будову чавуна і розберіться в розходженні металевої основи сірих чавунів різних класів. Запам'ятайте механічні властивості і призначення чавунів різних класів і їх маркірування. Зверніть увагу на способи одержання ковких і високоміцних чавунів. Повинна бути вивчена фізична сутність процесу графітизації.

Питання для самоперевірки

1. Дайте визначення: феріт, аустеніт,   перліт,  цементит    і ледебурит?  2. Проаналізуйте перетворення, які відбуваються в сплавах   при температурах А ₁, А ₂, А ₃, А ₄, А_{ст /}, 3. Які структура і властивості технічного заліза,
 сталі і білого чавуна? 4. Як класифікують за структурою сталі і білі чавуни?   5. У яких умовах виділяється первинний, вторинний і третинний цемент? 6. Яка будова ледебуриту при кімнатній температурі, трохи вище
 евтектоїдної температури 727 °С и трохи нижче евтектичної температури
 1147 °С? 7. У чому відмінність сірого чавуна від білого? 8. Яка будова евтектики і евтектоїда в сірому і білому чавунах? 9. Класифікація і маркірування сірих чавунів. 10. Які структури сірих чавунів? 11. Як одержують ковкий чавун? Його будова, властивості і призначення. 12. Як одержують високоміцний чавун? Його будова, властивості і призначення. 13. У чому розходження в будові ковкого і модифікованого чавунів? 14. Порівняйте механічні властивості сірого, ковкого і високоміцного чавунів.

 

Методичні рекомендації

Теорія і практика термічної обробки сталі — головні питання металознавства. Термічна обробка — один з основних способів впливу на будову, а отже, і на властивості сплавів. При вивченні перетворень переохолодженого аустеніту особливу увагу зверніть на діаграму ізотермічного розпаду, що встановлює зв'язок між температурними умовами перетворення, інтенсивністю розпаду і будовою продуктів перетворення. Розберіться в механізмі й особливостях перлітного, проміжного і мартенситного перетворень, що відбуваються відповідно у верхній, середній і нижній температурних областях. Усвідомте будову і властивості перліту, сорбіту, троститу, бейніту, мартенситу й особливі розходження і подібність однойменних структур, одержуваних при розпаді аустеніту і відпустці загартованої сталі.

Вивчіть вплив легуючих елементів на кінетику і характер перетворення аустеніту в перлітній, проміжній і мартенситній областях. У зв'язку з впливом легуючих елементів на діаграми ізотермічного розпаду аустеніту розгляньте причини одержання різних класів за структурою (перлітного, мартенситного, аустенітного). Усвідомте вплив легуючих елементів на перетворення при відпустці. Варто пам'ятати, що легуючі елементи, як правило, загальмовують процеси перетворень. Запам'ятайте практичне значення термокінетичних діаграм.

Питання для самоперевірки

1. Поясніть механізм утворення аустеніту при нагріванні сталі. 2. Які механізми і температурні області утворення структур перлітного типу (перліту, сорбіту, троститу) і бейніту? 3 В чому розходження між перлітом, сорбітом і троститом? 4. Що таке мартенсит і в чому сутність і особливості мартенситного перетворення? 5. Що таке критична швидкість гартування? 6. Що описує мартенситна крива? 7. Від чого залежить кількість залишкового аустеніту? 8. У чому сутність перетворень, що відбуваються при відпустці? 9. Що таке коагуляція і як змінюються структура і властивості сталі в зв'язку з коагуляцією карбідної фази при відпустці? 10. Поясніть, чим відрізняються структури троститу, сорбіту і перліту відпустки від однойменних структур, що утворюються при розпаді переохолодженого аустеніту? 11. Яке практичне значення термокінетичних діаграм? 12. Поясніть, як впливають легуючі елементи на перлітне перетворення? 13. Як впливають легуючі елементи на мартенситне перетворення? 14. Як протікає проміжне перетворення в легованій сталі? 15. Як впливають легуючі елементи на перетворення при відпустці?      16. Поясніть сутність явища відпускної крихкості? 17. Як можна усунути відпускну крихкість другого роду?

 

Методичні рекомендації

Усвідомте вплив швидкості охолодження на структуру і властивості сталі і фізичну сутність процесів відпалу, нормалізації, гартування й обробки холодом. При вивченні технологічних процесів термічної обробки особливу увагу зверніть на різновиди режимів і їхнє призначення. Для з'ясування причин браку при термічній обробці сталі треба насамперед розібратися в природі термічних і фазових напруг.

Усвідомте розходження між загартовуваністю і прогартовуваністю сталі, а також фактори, що впливають на ці характеристики. Розберіться в сутності способу одержання високоміцних деталей — термомеханічній обробці.

Різні види поверхневого гартування дозволяють отримати особливе сполучення властивостей поверхневого шару і серцевини, що приводить до підвищення експлуатаційних характеристик виробу. При вивченні індукційного гартування усвідомте зв'язок між глибиною проникнення загартованого шару і частотою струму. Загартування при нагріванні струмами високої частоти приводить до одержання більш високих механічних властивостей, ніж при звичайному нагріванні. Для одержання оптимальних результатів варто керуватися діаграмами припустимих і переважних режимів нагрівання під загартування струмами високої частоти.

Необхідно мати на увазі, що сучасні автоматичні і напівавтоматичні агрегати для термічної обробки можуть бути включені в технологічні лінії машинобудівних заводів, у зв'язку з чим при масовому виробництві відпадає необхідність у спеціальних термічних цехах і відділеннях.

Питання для самоперевірки

1. Наведіть визначення основних процесів термічної обробки: відпалу, нормалізації і гартування. 2. Визначте різновиди процесу відпалу і для чого вони застосовуються? 3. Яка природа фазових і термічних напруг? 4. Які вам відомі різновиди загартування й у яких випадках вони застосовуються? 5. Які види і причини браку при загартуванні? 6. Які вам відомі групи охолоджуючих середовищ і які їхні особливості? 7. Від чого залежить прогартовуваність сталі й у чому її технологічне значення? 8. Які вам відомі технологічні засоби зменшення деформації при термічній обробці? 9. Для чого і як виконується обробка холодом? 10. Як змінюються швидкість і температура нагрівання виробів з легованої сталі в порівнянні з вуглецевою? 11. У чому сутність і особливості термомеханічної обробки? 12. Як впливає поверхневе гартування на експлуатаційні характеристики виробів? 13. Як регулюється глибина загартованого шару при обробці струмами високої частоти? 14. Які сутність і призначення діаграми припустимих і переважних режимів нагрівання під гартування струмами високої частоти? 15. Які переваги поверхневого індукційного гартування?

 

ХІМІКО-ТЕРМІЧНА ОБРОБКА

Методичні рекомендації

При вивченні основ хіміко-термічної обробки варто виходити з того, що принципи хіміко-термічної обробки єдині. Процес хіміко-термічної обробки складається з виділення атомарної речовини, що насичує, зовнішнім середовищем, захоплення (сорбція) цих атомів поверхнею металу і дифузії їх усередину металу. Тому потрібно розглянути реакції в газовому середовищі при цементації чи азотуванні і засвоїти сучасні представлення про дифузію в металах. У більшості випадків насичення може походити з твердого, рідкого і газового середовищ, а тому потрібно знати найбільш вдалі варіанти насичення для кожного методу хіміко-термічної обробки і кінцеві результати (поверхневе зміцнення і зміна фізико-хімічних властивостей).

 Розберіться в технології проведення окремих видів хіміко-термічної обробки. Усвідомте переваги й області використання цементації, азотування, ціанування і різних видів дифузійної металізації. Поясніть вплив легування на механізм формування структури поверхневого шару.

 

Питання для самоперевірки

 

1. У чому полягають фізичні основи хіміко-термічної обробки? 2. Визначте хімізм        процесу   азотування.   3.    Визначте хімізм  процесу  цементації. 4. Визначте призначення і режим термічної обробки після цементації. 5. Чим відрізняються режими цементації легованої сталі й вуглецевої? 6. Які властивості цементованих і азотованих виробів? 7. Визначте хімізм і призначення процесу ціанування. 8. У чому розходження між дифузійним і гальванічним хромуванням? 9. Для яких цілей і як відбувається нітроцементація?

 

КОНСТРУКЦІЙНІ СТАЛІ

 

Методичні рекомендації

Потрібно засвоїти принципи маркірування сталі і вміти по маркіруванню визначити склад і особливості даної сталі, а також мати загальне представлення про різні групи сталі.

Добре розберіться у впливі легуючих елементів на зміну структури і властивостей сталі, особливу увагу приділіть технологічним особливостям термічної обробки легованої сталі різних груп.

Розгляньте способи класифікації (за структурою в нормалізованому стані і, що особливо важливо для машинобудівників, по призначенню), основні принципи вибору для різного призначення цементуючих, що поліпшуються, пружинно-ресорних, зносостійких, високоміцних, нержавіючих, жароміцних і інших сталей.

При вивченні жароміцних сталей зверніть увагу на особливості поводження металу в умовах навантаження при підвищених температурах. Усвідомте сутність явища повзучості й основних характеристик жароміцності; які граничні робочі температури й області застосування сталей різного структурного класу.

Як приклади вказати дві- три марки сталі кожної групи, розшифрувати склад, призначити режим термічної обробки й охарактеризувати структуру, властивості й область застосування.

 

Питання для перевірки

1. Як впливають легуючі елементи на положення критичних точок
 А₁, А₂, А₃, А₄, А_ст? 2. Які легуючі елементи є карбідоутворюючими? 3. Які легуючі елементи сприяють графітизації? 4. Як впливають легуючі елементи на властивості фериту й аустеніту? 5. Як класифікують леговані сталі за структурою в рівноважному стані? 6.Як класифікуються леговані сталі? Як класифікуються конструкційні сталі за технологією термічної обробки? 7.Які вимоги пред'являються до цементованих виробів? 8. Чим визначається вибір марки цементуємої сталі для виробів різного призначення? Приведіть приклади марок сталей, використовуваних у різних умовах роботи. 9. Яка термічна обробка цементуємих деталей? 10. Чим пояснюється призначення процесу поліпшення для конструкційної сталі? 11. Як впливає ступінь легування на механічні властивості сталі, що поліпшується? 12.Термічна обробка сталей, що поліпшуються. 13.Чим визначається вибір марки сталі, що поліпшується, для виробів різного призначення? Приклади марок сталі, використовуваних у різних умовах роботи. 14. Які вимоги пред'являються до ресорно-пружинних сталей і як вони класифікуються по міцності? 15.Приведіть приклади марок сталі для ресор і пружин, що працюють у різних умовах. 16.Термічна обробка ресорно-пружинної сталі. 17. Які ви знаєте зносостійкі сталі? 18. Які особливості мартенситостаріючих сталей?  19. Приведіть приклади марок високоміцної сталі, призначте режим обробки. 20. Які вимоги пропоновані до нержавіючих сталей? 21. У чому сутність електрохімічної корозії (основи теорії)? 22. Вкажіть марки хромистих нержавіючих сталей, Їх склад, термічна обробка, властивості і призначення. 23. Вкажіть марки хромонікелевих нержавіючих сталей. Їх властивості, склад, термічна обробка, призначення. 24. Що таке окалиностійкість? 25. Які вимоги пропоновані до жаростійких сталей? 26. Якими способами можна підвищити окалиностійкість? 27. Якими способами можна підвищити жароміцність сталі? Поясніть природу зміцнення. 28. Приведіть приклади жароміцних сталей перлітного, мартенситного й аустенітного класів. Вкажіть їх склад, обробку, властивості й області застосування. 29. Які особливості застосування металокерамічних сплавів?

 

ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ СТАЛІ

 

Методичні рекомендації

Вивчіть класифікацію інструментальних сталей у залежності від застосування інструмента й у зв'язку з цим розгляньте основні експлуатаційні властивості інструмента кожної групи. Особливу увагу приділіть швидкорізальним сталям. Усвідомте причини їх високої червоностійкості й особливості термічної обробки.     

При вивченні штампових сталей необхідно розрізняти умови роботи штампів для деформування в холодному стані і штампів для деформування в гарячому стані.

Студент зобов'язаний уміти вибрати марку сталі для інструмента різного призначення, розшифрувати її склад, призначити режим термічної обробки, пояснити сутність перетворень, що відбуваються при термічній обробці, і вказати одержувані структуру і властивості.

 

Питання для самоперевірки

1. Як класифікуються інструментальні сталі? 2. Вимоги пропоновані до сталей для різального інструмента. 3. Приведіть приклади вуглецевих і легованих сталей, використовуваних для різального інструмента. Вкажіть їх    склад, режим термічної обробки, структуру і   властивості.    4. Вкажіть і розшифруйте основні марки швидкорізальної сталі. 5. У чому сутність явища червоностійкості і яким чином можна підвищити червоностійкість інструмента? 6. Яка термічна обробка швидкорізальної сталі? 7. Як підрозділяються штампові сталі? Вимоги пропоновані до штампових сталей для деформування металу в холодному стані та до сталей — для деформування металу в гарячому стані. 8. Які сталі застосовуються для штампів холодного штампування? Вкажіть їх склад, термічну обробку, структуру і властивості. 9. Які сталі застосовуються для пресформ лиття під тиском? 10. Які вимоги пред'являються до сталей для вимірювального інструмента? Вкажіть марки сталі, їх склад, термічну обробку, структуру і властивості. 11.Що являють собою тверді сплави? Які їх властивості і переваги? 12. Вкажіть марки твердих сплавів, їх склад і призначення.

КОЛЬОРОВІ МЕТАЛИ ТА СПЛАВИ

В машинобудуванні і суднобудуванні часто використовують таки кольорові метали як алюміній, магній, титан, мідь, нікель, олово, свинець, вольфрам та інші. Найчастіше використовують сплави на основі цих металів, до яких відносяться: дюралюміній, силумін, бронзи, латуні, бабіт, а також тугоплавкі метали та їх сплави. До тугоплавких металів та їх сплавів відносяться сплави на основі: хрому, ванадію, ніобію, танталу, молібдену, вольфраму. Новим перспективним напрямком удосконалення машино - та суднобудівних галузей є використання спечених порошкових матеріалів.

Силумін – сплав кремнію з алюмінієм, в яких міститься 12...14 % кремнію. Силуміни є ливарними сплавами.

Латунь – сплав міді з цинком. В залежності від складу латуні використовують для обробки тиском або для литва.

Бронза – слав міді зі всіма металами, крім цинку (наприклад з оловом, алюмінієм, берилієм, манганом). Бронзи використовують для вироблення пружин, мембран, підшипників, втулок.

Бабіт – антифрикційний підшипниковий сплав на олов’янистих та свинцевих основах. Використовуються для виготовлення підшипників та інших деталей антифрикційного призначення.

Сплави на основі нікелю мають підвищену корозіє - і жаростійкість, жароміцність, особливі електричні та магнітні властивості. Їх використовують в хімічному апаратобудуванні, для виготовлення камер згоряння, деталей газових турбін, газопроводів.

Сплави на основі хрому використовують для виготовлення лопаток газових турбін, фасонних виливків для роботи в газових продуктах згоряння, агресивних кислих середовищах.

Сплави ванадію використовують для виготовлення оболонок тепловидільних елементів ядерних реакторів з натрієвим теплоносієм, труб для атомних реакторів.

Сплави ніобію використовують як конструкційний матеріал з робочою температурою 1100...1250 °С у термоядерній, комічній і електровакуумній техніці.

Сплави танталу мають виняткову стійкість у сильних кислотах, розплавах лужних металів. Їх поставляють у вигляді листів, тонкостінних труб, дроту, а також заготовок, одержаних методом порошкової металургії або електронно-променевою плавкою. Використовують їх для виготовлення відповідальних деталей ракетних двигунів на твердому та рідкому паливі. Робоча температура цих сплавів становить 1300...1600 °С і вище.

Сплави молібдену застосовують для виготовлення прес-форм, електродів ерозійно-іскрових апаратів, в електронній і вакуумній промисловості – контурів ядерних реакторів. Деталі з цих сплавів можуть працювати тривалий час при температурі 1200...1350 °С і короткочасно – до 1600 °С.

Сплави вольфраму використовуються для виготовлення екранів печей, високотемпературних термопар, електричних контактів, електродів для зварювання металів у газових середовищах реакторів ядерних двигунів.

Питання для самоперевірки

1.Властивості і застосування алюмінію. 2. Як класифікуються алюмінієві сплави? 3. Які сплави змінюються шляхом термічної обробки? Вкажіть їх марки, склад, режим термічної обробки, властивості. 4. У чому сутність процесу старіння? 5. Які сплави змінюються нагартовкою? 6. Які ви знаєте ливарні алюмінієві сплави? Приведіть їх марки, склад, обробку, властивості. 7. Як і для чого виробляється модифікування силуміну? 8. Які ви знаєте жароміцні алюмінієві сплави? Вкажіть граничні робочі температури їх використання. 9. Які властивості магнію? 10. Як класифікуються магнієві сплави? 11. Вкажіть марки, склад, обробку, властивості і призначення різних сплавів на основі магнію. 12. Як впливають домішки на властивості чистої міді? 13. Як класифікуються мідні сплави? 14. Які сплави відносяться до латуней. Їх маркірування і склад. 15. Наведіть кілька прикладів латуней із вказівкою їх складу, структури, властивостей і призначення. 16. Які сплави відносяться до бронз? Їх маркірування і склад. 17. Вкажіть будову, властивості і призначення різних бронз. 18. Якій термічній обробці піддається берилієва бронза? 19. Вкажіть призначення і властивості сплавів на основі цинку. 20. Які вимоги пред’являються  до антифрикційних сплавів? 21. Вкажіть склад, властивості й області застосування сплавів на основі олова і свинцю.

Лабораторна робота № 1

Теоретичні відомості

Залізо – це метал білого кольору із сильно виявленими феромагнітними властивостями. При нормальній температурі залізо має ОЦК решітку, Ця модифікація заліза називається α-залізо. При температурі 768 °С α-залізо втрачає магнітні властивості. Втрата ця не пов’язана з перебудовою атомів у кристалічній гратці, тобто ОЦК гратка при цьому зберігається. Щоб відрізнити магнітне α-залізо від немагнітного, немагнітне іноді називають β-залізом. При температурі 911 °С α-залізо перетворюється у γ-залізо з ГЦК граткою. При температурі 1392 °С ГЦК гратка знову перетворюється в ОЦК. Таке перетворення має назву поліморфізму або алотропії. При температурі 1539 °С залізо плавиться.

Вуглець – це неметалевий елемент з температурою плавлення 3500 °С. В природі існує у двох видах: у виді алмазу або у виді графіту. Із залізом він утворює тверді розчини або хімічні сполуки, а в певних умовах може виділятися у вигляді графіту.

Залізо з вуглецем утворює ряд хімічних сполук. З них практичне значення має карбід заліза Fe₃C, який також називається цементитом. Цементит досить твердий, але крихкий. В основу залізовуглецевих сплавів покладена діаграма стану залізо – вуглець, часткою якої є діаграма стану залізо – цементит.

Вуглецеві сталі – це сплави заліза з вуглецем, що містять вуглецю від 0,001 до 2,14 %. Поряд з вуглецем вуглецеві сталі містять до 0,9 % Mn, 0,35% Si, а також до 0,5% S і P як постійних домішок. Манган і силіцій у цих кількостях є корисними домішками. Сірка утворює із залізом легкоплавку евтектику Fe-FeS, яка надає сталі червоноламкості – підвищує її крихкість при температурах гарячої обробки. Фосфор, навпаки, надає сталі холодноламкості, тобто підвищує її крихкість при нормальній і, особливо, при знижених температурах. У зв’язку з цим вміст сірки та фосфору у сталях суворо обмежують. Масова частка цих домішок є одним з показників якості сталі.

За структурою розрізняють: доевтектоїдну сталь, що містить до 0,8 % вуглецю, структура якої складається із фериту і перліту; евтектоїдну, що містить біля 0,8 % вуглецю, структура якої складається тільки із перліту; заевтектоїдну, що містить 0,8-2,14 % вуглецю, структура якої складається із зерен перліту, навколо яких розміщена сітка цементиту.

За якістю розділяють сталі звичайної якості (не більше 0,05 % сірки і не більше 0,04 % фосфору), якісні (не більше 0,04 % сірки і не більше 0,035 % фосфору) та високоякісні (не більше 0,02 % сірки і не більше 0,03 % фосфору).

За призначенням сталі підрозділяють на конструкційні та інструментальні.

Конструкційні сталі містять  до 0,6 % С. Поділяють на сталі звичайної якості і якісні.

Сталі звичайної якості (ДСТУ 2651-94) виготовляють з таких марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2сп,...., Ст6пс, Ст6сп. Із збільшенням номера сталі підвищується твердість і міцність, але знижується пластичність. Із сталей звичайної якості виготовляють рядовий прокат (прутки, балки, швелери), а також листи, труби.

Сталі якісні конструкційні (ГОСТ 1050-88) призначені для виготовлення виробів, які піддають термічній обробці, тому стандарт рекомендує їхній хімічний склад. Маркують ці сталі числом, яке вказує на вміст вуглецю в сотих частках процента (0,8; 10; 15;...; 60).

Інструментальні вуглецеві сталі виплавляють у мартенівських та електричних печах і поставляють згідно з ГОСТ 1435-99 за хімічним складом. Їх поділяють на якісні та високояк