Мировой объем производства основных материалов.

Нижний Новгород 1995 год

Лекция №1.

Содержание лекции:

Введение. Задачи курса. Классификация технических материалов. Материалы металлические, неметаллические, композиционные. Содержание элементов в Земной коре. Мировой объем производства основных материалов. Структурные методы исследования. Типы кристаллических решеток, особенности строения реальных металлических материалов.

Введение. Задачи курса.

Материаловедение - научная дисциплина о структуре, свойствах и назначении материалов.

Свойства технических материалов формируются в процессе их изготовления. При одинаковом

химическом составе, но разной технологии изготовления, образуется разная структура, и

вследствие, свойства.

Цель настоящей дисциплины - изучение закономерностей формирования структуры и свойств

материалов методами их упрочнения для эффективного использования в технике.

Основная задача дисциплины - установить зависимость между составом, строением и

свойствами, изучить термическую, химико-термическую обработку и другие способы

упрочнения, сформировать знания о свойствах основных разновидностей материалов.

Классификация материалов.

Назначение материала определяется требованиями конструкции (конструкционные критерии -прочность, долговечность, коррозийные свойства и т.п.) и возможностью переработки в изделие (технологические критерии - коэффициент обрабатываемости резанием, сварки и обработки давлением и т.п.). Выбор материала с использованием классификации осуществляется по двум основным критериям. В общем случае классификация материалов включат в себя три основных разновидности материалов: металлические материалы, неметаллические материалы, композиционные материалы. По геометрическим признакам материалы и вещества принято классифицировать по виду полуфабрикатов: листы, профили, гранулы, порошки, волокна и т.п.. Поскольку материал того или иного полуфабриката изготавливается по разной технологии, применяют разделение по структуре.

Металлические материалы принято классифицировать по основному компоненту. Различают черную и цветную металлургию. К материалам черной металлургии принадлежат стали, чугуны, ферросплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами в количестве превосходящим стали. К материалам цветной металлурги принадлежат важнейшие цветные металлы - алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово и сплавы на их основе. К металлическим материалам относятся и материалы порошковой металлургии. Неметаллические материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы. Композиционными материалы - сложные или составные материалы, состоящие из двух разнородных материалов (например: стекла и пластмассы - стеклопластики) принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу

изготовления. Более подробно классификация материалов будет изложена ниже в разделах лекционного курса. Технические материалы принято классифицировать по назначению: материалы приборостроения, машиностроительные материалы, и более подробно, например стали для судостроения или мостостроения. В научном аспекте материалы разделяют по типу структуры: аморфные, кристаллические, гетерофазные. При выборе материала для той или иной детали или конструкции учитывают экономическую целесообразность его применения. Стоимость технического материала связана с затратами на его производство и уровнем запасов его в промышленном и государственном резервах, с содержанием в Земной коре веществ и элементов, необходимых для его производства. Поэтому так важно знание инженера о содержании элементов и веществ в земной коре. В последние годы в классификации машиностроительных материалов применяют параметры удельной прочности и энергрозатрат производства материалов. Они показывают, что наилучшими сочетаниями свойств для машин обладают титан и алюминий. Классификация известных материалов находит свое отражение в Государственных Стандартах (ГОСТ).

Содержание элементов в Земной коре.

Исторически для Техники наиболее важными были металлы и сплавы, в первую очередь стали

и чугуны, медь.

Содержание металлов и элементов в Земной коре следующие:

Медь Сu = 0.01 %, Серебро =4*10-6 %, Олово =6*10-4%, Титан =0.58 %, Магний =1.94 %,

Золото =5*10-7%, Бериллий = 5*10-4%, Цинк = 2*10-2 %, Железо =4.7 %, Алюминий =7.5 %,

Кремний =25.7 %, Свинец =8*10-4 %, Хром =3.3*10-2 %, Никель = 1.8*10-2 %.

Анализ приведенных данных показывает, что наиболее перспективным элементом для

использования в технике является Алюминий, это совпадает с общемировой тенденцией

машиностроения. Усилия разработчиков новых материалов направлены на создание материалов

на основе тугоплавких соединений: нитридов и боридов в кристаллической и аморфной

формах, пригодных для применения. Наибольшее распространение в авиационной,

космической и специальной технике приобретает нитрид кремния (SiN).

Так как материальные ресурсы Земли ограничены, это находит свое отражение в

формировании цен, перед машиностроением всегда стоит задача расширения сырьевой базы и

сокращения затрат материалов на единицу техники.

Мировой объем производства основных материалов.

.Элементы, преимущественно металлические, находятся в Земной коре в виде окислов, нитридов, гидридов и гидратов, хлоридов и т.п., для превращения минерального сырья в полуфабрикакты необходимы значительные затраты энергии и дополнительных видов минералов и веществ. Наименьшими потерями среди технических материалов обладает производство стали и чугуна, что положительно сказывается на их относительной стоимости. Мировой объем производства основных материалов следующий: стали = 700 мл. тон, конструкционного чугуна = 46 мл.тонн, пластических масс = 100 мл. тон., конструкционных стекла и керамики = 180 мл.тон. Отметим, что плотность пластмасс в 2-3 раза ниже, чем металлов, и в объемных процентах пластмасс выпускается в 2 раза больше других материалов. Отличительной особенностью современного машиностроения является расширение номенклатуры применяемых материалов. Среди металлических материалов мировой объем производства следующий: Алюминий = 12.2, Медь = 7.3, Цинк = 4.68, Свинец = 3.77, Никель = 0.52 (мл.тонн.). Наибольшие темпы роста производства у композиционных и порошковых материалов.

Типы кристаллических решеток, особенности строения реальных

Металлических материалов.

В большинстве случаев техника использует кристаллические материалы. Субструктура материала - кристаллическое строение наряду с химическим составом определяет все свойства. В реальных металлах кристаллы выпадают из расплавов при охлаждении и создаются физико-химическими процессами при нагреве твердого тела.

Атомы в кристаллах расположены закономерно в узлах кристаллической решетки или в местах
пересечения кристаллических плоскостей. Все пространство кристалла можно разбить на
элементарные ячейки. Повторяя в пространстве элементарную ячейку, можно описать весь
кристалл. Простейшей кристаллической ячейкой является куб, по вершинам которого
располагаются атомы. Основные типы кристаллических решеток металлов:

объемоцентрированная кубическая (О.Ц.К.); гранецентрированная кубическая (Г.Ц.К.).; гексоганальная плотноупакованная (Г.П.У.) рис.1.

Кристаллические решетки характеризуются параметрами: периодом решетки, координационным числом, атомным радиусом, базисом или количеством атомов, приходящимся на одну ячейку, энергией решетки, плотностью упаковки атомов и др..

1.1 1.2 1.3

Рисунок 1. Типы кристаллических решеток. (1.1 - объемоцентрированная кубическая ОЦК;

1.2 - гранецентрированная кубическая плотноупакованная ГЦК; 1.3 - гексоганальная
плотноупакованная решетка ГПУ).

Периодом решетки называется расстояние между центрами двух соседних атомов.

Координационное число - количество атомов, находящихся на наиболее близком расстоянии от

любого атома в решетке. Атомный радиус (половина атомного диаметра) - половина

межатомного расстояния между центрами ближайших атомов.

Металлы имеют плотную упаковку атомов, т.е. высокие координационные числа и большое

количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку.

Вследствие неодинаковой плотности атомов в различных направлениях, многие свойства

кристалла анизотропны. Металлы и другие элементы и вещества имеют полиморфные

превращения. Кристаллическая структура изменяется в зависимости от температуры. Например, кристаллическая решетка железа в интервале температур от 0 до 910 град С - ОЦК (Fe -а); от 910 до 1400 град С - ГЦК (Fe-y); от 1400 до 1539 град С (плавление) - ОЦК (Fe-a или Fe-5).

Реальные металлы являются поликристаллическими веществами. Размеры зерен (кристаллов) колеблются в широких пределах от долей микрона до нескольких миллиметров. В приведенных выше примерах рассматривались идеальные кристаллические решетки. Особенностью строения реальных металлических материалов является наличие искажений и дефектов кристаллического строения, вызванное действием температурных, электромагнитных и иных полей, а т.ж. механическими напряжениями. Наибольшее число дефектов возникает при первичной кристаллизации расплава или при пластической деформации твердого тела. Кристаллические дефекты разделяют на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Источниками дефектов являются прежде всего примеси. Например, если в алюминии содержится 0.001% (10-5) примеси кремния, то в 1 мм. куб. будет 6*10Е14 посторонних атомов. Атомы примесей искажают кристаллические решетки. Примеси могут располагаться в виде отдельных атомов, скоплений по поверхностям или в определенных объемах. Рис 2.1. Другим источником дефектов являются тепловые колебания атомов. Среднее значение амплитуды тепловых колебаний равно 5-10% межатомного расстояния, но энергия тепловых колебаний в решетке распределена неравномерно. Колебания атомов тоже различны. Если на поверхности атом обладает энергией, необходимой для испарения, он может выйти из кристаллической решетки. Образуется дефект, который называется вакансией. Рис 2.2.. Число вакансий в решетке кристалла определяется зависимостью:

-Q/(K*T)

Ni = N* e, (2)

где N - общее число атомов; e = 2.71828; K = R /N; Q энергия активации; T - температура. Например, для кадмия при 300 град. С K*T = 600 Kкал/моль, N=10E22 Cm E-3, Q

= 23000 Kкал/моль, а число вакансий Nl=10 E-4 Cm E-3, а при температуре плавления кадмия число вакансий превышает 1%. Образование дислоцированных атомов (рис. 2.3.) требует большей энергии активации, поэтому количество таких дефектов меньше, преимущественно они возникают при облучении кристаллов.

Атомы кристалла

акансия

 

Рис. 2.1

Рис. 2.3.

Рис. 2.2.

рис.2. Точечные дефекты кристаллических решеток. 2.1. - примесный атом; 2.2. - вакансия (дефект Шоттки); 2.3. - дислоцированный атом (дефект Френкеля).

Вакансии имеют большое значение особенно для протекания диффузии, создают условия для повышения пластичности металла при низких температурах.

Реальные кристаллы разделены на фрагменты и блоки (мозаичная структура). Поверхности кристаллов (границы зерен), границы фрагментов и блоков являются местом скопления всевозможных дефектов и местом их возникновения Рис 3. Основными линейными дефектами являются дислокации. Дислокации бывают линейными (краевыми), представляющие собой край экстра - плоскости (полуплоскости) рис 4.1., рис 4.2.; и винтовыми рис. 4.3..

 

 

/l	Tl
г— / / i	i —	/
	/

Рис. 3. Мозаичная Рис. 4.1. Дислокация Рис. 4.2. и Рис.4.3. Краевая и структура кристалла. на границе блоков. винтовая дислокации.

Дефекты влияют на структурночувствительные свойства. Например, наличие дислокаций изменяет прочность металлов. Теоретический подсчет предела упругости дает величину, превышающую реальную в 1000 раз (10 Е5 и 100 МПа) для чистых металлов и в 100 раз для сталей. Бездефектные кристаллические металлические и керамические материалы в виде волокон и НК (нитевидных кристаллов) применяются как арматура - фаза упрочнитель конструкционных композитов. Рис. 5..

В настоящее время разработана дислокационная теория, объясняющая механизмы пластической деформации и причины разрушения металлов, их упрочнения при обработке давлением и иных технологических способах.

Лекция № 2

Затвердевание металлических материалов. Термические кривые охлаждения при кристаллизации металлов. Применение правила фаз. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации. Модифицирование жидкого металла. Материалы аморфного строения и их применение. Полиморфные превращения в металлах. Жидкие кристаллы.

Применение правила фаз.

Металлические материалы применяемые в технике в большинстве случаев являются сплавами. Сплавом называют вещество, полученное сплавлением нескольких (двух и более) элементов, преимущественно металлических. Строение сплавов более сложно, чем строение чистого металла. В сплаве могут наблюдаться зерна чистых металлов и других компонентов, твердых растворов и химических соединений. Твердыми растворами называют сплав, у которого ионы растворенного элемента расположены в кристаллической решетке растворителя. Твердые растворы разделяются на три типа: замещения, внедрения и вычитания, или твердые растворы на базе химических соединений. Существуют также упорядоченные твердые растворы.

Совокупность всех сплавов, которые могут быть составлены из заданных компонентов, называют системой сплавов.

Фазой называется однородная часть системы, имеющая одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделяющееся от остальных частей системы поверхностями раздела. Фазы могут быть газообразными, жидкими и твердыми. В сплаве могут присутствовать несколько фаз. Вещества, образующие систему, называются компонентами. Число степеней свободы (вариантность) системы это число внешних и внутренних факторов (t, P и концентрация С%), которые можно изменять, не изменяя число фаз в системе. Оно определяется правилом фаз:

f = n - K + 2 (5)

где f - число степеней свободы; n - число компонентов; K - число фаз. Если давление не учитывать: f = n - K + 1

Правило фаз применяется при анализе процессов, совершающихся в сплавах при нагреве и охлаждении для расчета числа фаз в конкретных термодинамических условиях.

_ I Применим правило фаз для четырех точек

**^ ^ ^ однокомпонетного сппава: f = n-k+1

\

1. f = 1 -1 +1 =1 - это значит, что ситема оноварнантна; мы можем изменить температуру - сплав останется жидким. 2иЗЛ = 1-2 + 1=0- система безвариантна - любое изменение вызовет изменение числа фаз.

X

Рис. 9. Иллюстрация к применению правила фаз.

Жидкие кристаллы.

Жидкокристаллическое состояние - это термодинамически устойчивое агрегатное состояние состояние, при котором вещество сохраняет анизитропию физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей.

Существует ряд соединений, преимущественно органических, обладающих таким комплексом свойств. Например, сложные ароматические эфиры - производные транс-циклогексана, фенилбензоаты; азотметины; азосединения и т.п..

Жидкие кристаллы обладают аллотропическими превращениями, которые не изменяют их жидкого состояния. Превращения наблюдаются при воздействии электромагнитного поля, изменения температуры и давления, и других физических воздействиях. Свойства их также как и у твердых тел скачкообразно изменяются. Жидкие кристаллы используются как оптоэлектронные индикаторы, и материалы комбинированных стеклянных конструкций, где требуется резкое изменение оптических свойств системы, при внешних воздействиях. Жидкокристаллическое состояние и его уникальные свойства обусловлены способностью некоторых органических молекул, агрегатироваться с другими молекулами, частично создавая упорядоченные структуры - сенергировать. По своей практической значимости особое место занимают нематические жидкие кристаллы, отличающиеся от прочих типов жидких кристаллов одноосной упорядоченностью, при которой молекулы выстраиваются таким образом, что их длинные оси параллельны друг другу.

Лекция № 3.

Строение и свойства типовых двухкомпонентных сплавов. Понятие о физико-химическом анализе. Диаграмма состояния систем с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Применение правила отрезков. Внутрикристаллическая ликвация.

В твердом состоянии.

Диаграммы состояния показывают изменение состояния в зависимости от температуры и концентрации. Давление во всех случаях постоянно, а скорость охлаждения достаточно мала для протекания всех процессов. Фактор времени таким образом исключается. Диаграммы (равновесного) состояния строятся экспериментально по термическим кривым. Рис. 19.

Рис. 19. Построение диаграммы состояния Cu-Ni по термическим кривым. На рис. L -жидкий расплав; α - твердая фаза из кристаллов Cu-Ni переменной концентрации; cad - линия ликвидуса; cbd - линия солидуса. Линия mn, соединяющая состав, находящийся в равновесии называется канодой.

В интервале температур ab выпадают кристаллы твердого раствора переменной концентрации. Состав выпадающих кристаллов показывает линия солидуса, состав оставшегося жидкого раствора линия ликвидуса. Сначала выпадают кристаллы, богатые никелем, как более тугоплавкие; в конце затвердевают кристаллы, богатые более легкоплавкой медью. В процессе затвердевания непрерывно происходит диффузия, которая стремится выравнить состав. Однако в реальных условиях она не успевает завершиться. После окончательного затвердевания всего сплава имеется неоднородность - ликвация (дендритная, междендритная, зональная).

Лекция № 4

Диаграммы состояния систем с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии с эвтектическими и перетектическими превращениями. Понятие об эвтектоидном и перитектоидном превращениях. Диаграммы состояния системы, образующей химическое соединение. Механические и технологические свойства сплавов, связь с типом диаграмм состояния. Понятие о трехкомпонентных системах.

Лекция № 5

Фазовые превращения в железоуглеродистых сплавах. Диаграмма железо-цементит. Фазы и структурные составляющие стали и белых чугунов. Кривые охлаждения и анализ фазовых превращений железоуглеродистых сплавов.

Лекция № 6

Строение и свойства чугунов. Диаграмма состояния железо - графит. Фазовые превращения в чугунах. Структура чугунов. Влияние примесей и скорости охлаждения (толщины отливки) на структуру чугунов. Чугуны с пластинчатым, шаровидным, вермикулярным и хлопьевидным графитом: ЧПГ, ЧШВ, ЧВГ, ЧХГ. Механические свойства чугунов. Антифрикционные и легированные чугуны.

Лекция № 7

Углеродистые и легированные стали. Строение и свойства сталей. Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства стали. Классификация сталей по составу, качеству и структурным классам. Влияние легирующих элементов на структуру и фазовые превращения в стали. Тенденция развития производства стали.

Лекция № 8

Фазовые превращения в сплавах железо - углерод в твердом состоянии. Фазовые превращения при нагреве стали. Рост зерна аустенита. Мелкозернистые и крупнозернистые стали. Понятия о превращениях в переохлажденном аустените (перлитное, бейнитное, мартенситное). Метастабильные структуры. Диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита. Виды термической обработки материалов.

О 2 4 8 10 12 14 16 18 20 22

т,мин.

Рис. 35. Превращение перлита в аустенит при постоянной температуре для стали, содержащей 0.86 % С.

Расположение кривых показывает, что чем выше температура, тем быстрее (т.е. за меньший отрезок времени) протекает превращение. Луч соответствует нагреву стали с какой-то определенной скоростью V2. Он пересекает линии начала и конца превращения в точках a’’ и b’’. Следовательно, при непрерывном нагреве со скоростью V2 фиксируется превращение, протекающие в интервале температур от точки a’’ до точки b’’. Если нагрев был более медленным, то луч V1 пересекает кривые

превращения при более низких температурах (точка a’ и b’) и превращение произойдет тоже при более низких температурах. Кривые конца и начала превращения, асимптотитически приближаясь к горизонтали А1 пересекут ее в бесконечности. Нагрев с бесконечно малой скоростью пересечет горизонталь А1 в бесконечности, что соответствует превращению по диаграмме Fe - Fe3C. Реально существует интервал температур и времени перехода П - А. Окончание превращения соответствует исчезновению перлита и образованию аустенита. Образовавшийся аустенит неоднороден в объеме зерна. В пластинках или зернах перлитного цементита содержание углерода больше, чем в феррите, из-за этого аустенит неоднороден.

Время, с

Рис. 38.

аА аЗ а5 а2 аб а1 время

Рис. 39.

Рис. 37. Ячейка мартенсита. Рис. 38. Кинетическая кривая превращения перлита в аустенит. Рис. 39. Кинетические кривые превращения аустенита в перлит при различных температурах.

Процесс образования перлита - это процесс зарождения центров перлита и роста
перлитных кристаллов. Для этого нужны надлежащие физические условия: Процесс
происходит во времени и может быть изображен в виде так называемой кинетической
кривой превращения, показывающей количество образовавшегося перлита за время
превращения. Рис. 38. Точка а на кривой показывает момент, когда обнаруживается
начало превращения, а точка b - завершение превращения. На положение кривых
оказывает влияние степени переохлаждения. Рис. 39. При высокой температуре t1
(малая степень переохлаждения) превращение развивается медленно и

продолжительность инкубационного периода и время превращения сокращаются. Максимум скорости превращения соответствует температуре t4, дальнейшие снижение температуры приведет уже к уменьшению скорости превращения. Кинетические кривые превращения аустенита в перлит полученные для разных температур используются для построения диаграмм изотермического превращения аустенита.

Лекция № 9

Закалка стали.

З а к а л к а - термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава. Для сталей различают закалку до - и заэвтектоидных сталей. В структуре закаленной стали преобладает мартенсит. Мартенсит имеет высокую твердость и низкую вязкость, как конструкционный материал не употребляется. Для доэвтектоидных сталей температура закалки должна быть на 30 - 50 град. выше Ас3, а для заэвтектоидных - на 30 - 50 град. выше. При закалке доэвтектоидной стали с температуры выше Ас1, но ниже Ас3 в структуре наряду с мартенситом сохраняется часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Такая закалка называется неполной. Для заэвтектоидных сталей оптимальная температура закалки лежит в интервале между Ас1 и Ас3 и теоретически является неполной. Здесь наряду с мартенситом закалки сохраняется часть оставшегося цементита, наличие которого полезно. Нагрев выше Ас3 приводит к вредным перегреву и обезуглероживанию стали. Закалка бывает объемной (под закалку нагревают насквозь все изделие) и поверхностной (осуществляют местный, чаще поверхностный нагрев).

Способы объемной закалки.

В зависимости от состава стали, формы и размеров детали и требуемых в термически обработанном состоянии свойств выбирают оптимальный способ закалки, наиболее просто осуществимый и одновременно обеспечивающий нужные свойства.

Рис. 43. Кривые охлаждения для различных способов закалки, нанесенные на диаграмму изотермического распада аустенита.

1. Закалка в одном охладителе. (рис. 43. 1) - здесь нагретую деталь погружают в жидкость, где она остается до полного охлаждения. Способ применяется для геометрически простых деталей из углеродистых и легированных сталей. Охладитель - вода и масло.

2. Прерывистая закалка, или закалка в двух средах. (рис. 43. 2) Деталь сначала охлаждается в быстро охлаждающей среде, а затем в медленно охлаждающей. Вода и масло. В мартенситном интервале сталь охлаждается медленно, что способствует уменьшению внутренних напряжений.

3. Струйная закалка -заключается в обрызгивании детали интенсивной струей воды. Обычно применяют, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что дает более глубокую прокаливаемость.

4. Закалка с самоотпуском. В обычных закалке и отпуске свойства по сечению детали одинаковы. Для создания требуемого распределения твердости закаливают

лишь часть детали, а аккумулированное тепло неохлажденной части проводит отпуск. Такой способ применяют, например, для слесарного инструмента Зубила, молотки, наковальни и т.п.). Распределение твердости достигают, регулируя закалку по цветам побежалости.

5. Ступенчатая закалка. (Рис. 43. 3) Деталь охлаждают в среде, имеющей
температуру выше мартенситной точки. Делают выдержку для выравнивания
температуры по сечению. Затем проводят медленное охлаждение, обеспечивающие
мартенситное превращение. Разбивка на две ступени уменьшает напряжения первого
рода, снижает закалочную деформацию. Применяется для крупных изделий.

6. Изотермическая закалка. (Рис. 43. 4) Здесь сталь выдерживается при температуре
или в среде, обеспечивающих полное изотермическое превращение аустенита.
Обычно 200 - 250 С. Образующаяся структура - бейнит.

Лекция № 10

Прокаливаемость стали.

Под закаливаемостью понимают максимальное значение твердости, которую может приобрести данная сталь. Под прокаливаемостью подразумевают глубину проникновения закаленной зоны. Несквозная прокаливаемость связана с тем, что деталь быстрее охлаждается с поверхности, чем с сердцевины. Рис. 45.

N/охл

Закаленная зона

Поверхность

Незакаленная зона

Рис. 45. а

Рис. 45. б

Рис. 45. Схемы, показывающие различную скорость охлаждения по сечению и в связи с

этим несквозную прокаливаемость.

Расстояние от торца испытуемого образца

Распределение скорости охлаждения показано на Рис. 45 а. С уменьшением критической скорости закалки увеличивается и глубина закаленного слоя, и если Vk будет меньше скорости охлаждения в центре, то сечение закалится на сквозь. Если сечение велико и скорость на поверхности меньше Vk, то сталь не закалится даже на поверхности. Для практической оценки прокаливаемости используют величину - критический диаметр, т.е. максимальный диаметр (размер) образца, который прокаливается насквозь в данном охладителе. Чем лучше свойства охладителя тем больше Dкр. (Смотри лаб. раб. №8). Чтобы не ставить прокаливаемость в зависимости от способа охлаждения применяют идеальный критический диаметр. Для его определения используют метод торцевой закалки. Цилиндрический стальной образец, нагретый под закалку, охлаждается с торца струей воды.

Рис. 46. Кривая прокаливаемости стали. Измерив твердость по длине, строят зависимость твердости от расстояния от закаленного торца. В ГОСТах приведены кривые прокаливаемости на базе из 100 и более плавок одной марки стали, указываются верхний и нижний пределы. Рис. 46. За границу между закаленной и незакаленной зонами понимают полумартенситный слой (50% мартенсита +.50% троостита). Прокаливаемость учитывают при выборе марки стали (Смотри лаб. раб. № 11).

Виды и назначение отпуска.

Отпуск - это термическая обработка закаленной на мартенсит стали, заключающаяся в одно - или многократном нагреве не выше Ас1, выдержке и охлаждении, при котором происходит распад и рекристаллизация мартенсита. Различают низкий отпуск (Он), средний отпуск (Ос), высокий отпуск (Ов). После низкого отпуска при 120 - 250 С образуется отпущенный мартенсит, отличающийся большей травимостью. Он применяется для деталей с максимальной твердостью, чаще применяется для инструмента. После среднего отпуска при 350 - 450 С образуется сильно травящаяся “игольчатая” структура троостита отпуска. Ос назначают для достижения максимального предела упругости (пружины). Высокий отпуск при 450 - 650 С вызывает появление сорбита отпуска, имеющего точечное строение. Ов создает наибольшую ударную вязкость, применяется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки.

Недостатком ряда легированных конструкционных улучшаемых сталей является отпускная хрупкость. Рис. 47.1.

Ударная вязкость

300 500 650

Температура отпуска, С.

Рис. 47.1. Влияние отпуска на ударную вязкость легированной стали (схема): 1 -быстрое охлаждение; 2 - медленное охлаждение.

При медленном охлаждении кривая имеет два минимума - для отпуска при 300 С и при 550 С. Это явление называют отпускной хрупкостью. Отпускная хрупкость в районе 300 проявляется у всех сталей независимо от состава и скорости охлаждения при отпуске. Падение ударной вязкости связано с распадом остаточного аустенита. Отпускная хрупкость в районе 550 С проявляется в результате медленного охлаждения, при быстром - вязкость не уменьшается.

Лекция № 11

Поверхностная закалка стали. Лазерная термическая обработка. Цементация стали. Строение цементованного слоя. Термическая обработка стали после цементации. Нитроцементация стали. Азотирование. Покрытия металлов: напыленные и осажденные.

Лекция № 12

Пластическая деформация, стадии деформации. Дислокационные структуры деформированных тел. Изменение механизма деформации в зависимости от температуры и напряжения, карты деформации (по Эшби). Ползучесть. Зависимость прочности и пластичности от температуры. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированных металлических тел: отдых, полигонизация, рекристаллизация. ВТМО, НТМО. Сверхпластичность. Влияние электромагнитного поля на структуру и свойства металлических материалов.

ВТМО, НТМО.

Термомеханическая обработка основана на совмещении двух способов упрочнения -пластической деформации и фазовых изменений, заключается в наклепе аустенита с последующим его превращением. Видами ТМО являются: высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО), которая состоит из деформирования аустенита выше температуры рекристаллизации (tр) обычно выше критических точек и быстрого охлаждения. Рис. 56.

Рис. 56. Классификационная схема ТМО.

- низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО), которая состоит из деформирования аустенита ниже tр, т.е. нестабильного аустенита переохлажденного ниже критических точек с последующим охлаждением и фазовым превращением. Сталь упрочняется за счет мартенситной реакции и за счет дефектов строения унаследованных мартенситом от деформированного аустенита.

При НТМО переохлажденный до 500 - 600 С аустенит деформируется (до 80-9-%) и наклепывается. При НТМО повышение прочности сопровождается понижением пластичности. При ВТМО наклеп аустенита не сохраняется в чистом виде до мартенситного превращения, так как ВТМО осуществляется выше температуры tр. Если немедленно не охладить сталь после деформации, то будут происходить рекристаллизационные процессы.

Обычно после ТМО осуществляют отпуск на заданную прочность (пластичность). В отдельных случаях после деформации сталь подвергается изотермическому бейнитному распаду (ВТМизО). Имеется класс обработок, которые осуществляются в обратном порядке -превращение, а затем наклеп (механико - термическая обработка МТО). МТО осуществляется деформацией на 3 - 5 % мартенсита и последующим низким отпуском, что создает повышение прочности на 10 - 20 %. В большинстве случаев увеличение прочности сопровождается снижением пластических свойств (исключение - упрочнение за счет измельчение зерна аустенита). Табл. 4.

Сверхпластичность.

Под сверхпластичностью понимают способность металла к значительной равномерной деформации без деформационного упрочнения (наклепа). Различают несколько видов сверхпластичности:

Влияние термической обработки на механические свойства стали. Табл. 4.

 

Термическая обработка	Прочность	Пластичность	Вязкость
Отжиг	Самая низкая	Самая высокая
Нормализация	Низкая	Высокая	Высокая
Улучшение	Средняя	Высокая	Самая высокая
ВТМО	Высокая	Высокая	Самая высокая
НТМО	Самая высокая	Самая низкая	Средняя
МТО	Самая высокая	Самая низкая	Самая низкая

- мелкозеренная сверхпластичность проявляется при повышенных температурах, не ниже чем 0.4 Тпл, при очень мелком зерне размером в диаметре 3 - 5 мкм и малой скорости деформирования 0.0001 с-1 (отсутствует сдвиговая деформация),

- субкритическая сверхпластичность. Имеет место при температурах вблизи или ниже фазовых превращений при определенной исходной структуре. Перед фазовым превращением или плавлением происходит значительное изменение свойств без изменения структуры. Например, Е снижается в два - три раза.

- мартенситная сверхпластичность, при сдвиговом бездиффузионном превращении
наблюдается повышенная пластичность,

- рекристаллизационная сверхпластичность. Выше температуры рекристаллизации заметного
упрочнения не возникает.

Лекция № 13

Вязкое и хрупкое разрушение. Этапы процесса хрупкого разрушения. Влияние температуры, порог хладноломкости. Трещиностойкость, вязкость разрушения K1c. Основные понятия механики разрушения: расчеты размеров трещины. Модели Гриффитса, Инглиса - Зинера и др. Соотношение между K1c и пределом текучести материалов.

Кг/мм

(I)

 

Рис. 61.

0 6 12 18 2Л 30 Длина трещины, мм

Рис. 62.

Рис. 61. Образец для определения вязкого разрушения. Рис. 62. Кривые разрушающего напряжения в зависимости от длин