Хімічні властивості матеріалів

Хімічна стійкість – здатність матеріалу протистояти дії хімічно агресивного середовища чи речовин.

Розчинність – здатність матеріалу розчинятися в тому чи іншому середовищі.

Адгезія – здатність різнорідних речовин утворювати міцне з’єднання.

Когезія – здатність однієї речовини утворювати міцне з’єднання.

Запитання для самоперевірки:

1. Що є предметом курсу матеріалознавство?

2. Якими основними типами властивостей характеризуються матеріали?

3. Які характеристики визначають механічні властивості матеріалів?

4. Які характеристики визначають фізичні властивості матеріалів?

5. Які характеристики визначають хімічні властивості матеріалів?

 

ЛЕКЦІЯ 2. ВУГЛЕЦЕВІ І ЛЕГОВАНІ СТАЛІ

 

Сталі знаходять широке застосування у сучасному виробництві через вигідне співвідношення механічних властивостей, відносно низьку вартість отримання, технологічність. Основний недолік вуглецевих сталей – низька корозійна стійкість. Розрізняють вуглецеві і леговані сталі.

 

ВУГЛЕЦЕВІ сталі

Сталь – сплав заліза з вуглецем, який містить до 2,14% вуглецю. Вуглецеві сталі містять невелику кількість домішок Mn (0,25…0,8%), Si (0,05…0,30%), S (до 0,06%), P (до 0,15%), газові включення тощо. Марганець і кремній є корисними домішками, що підвищують міцність сталі. Сірка окрихчує сталь за високих температур (красноламкість), а фосфор – за низьких (холодноламкість).

За призначення вуглецеві сталі поділяють на конструкційні (С£0,6%) і інструментальні (С>0,6%).

Конструкційні сталі звичайної якості призначені для виготовлення деталей методом холодного оброблення різанням і тиском. До цієї групи належать сталі марок Ст0, Ст1, Ст2, …, Ст6. Сталь з більшим номером має більшу міцність (s_в=320…750 МПа), але меншу пластичність (d=22…8%). Якісні конструкційні сталі призначені для виготовлення деталей, які необхідно термічно оброблювати, тому їх хімічний склад регламентується. Ці сталі маркуються числом, що показує вміст вуглецю у сотих частках відсотка: 08, 10, 15, 20, …, 60.

Інструментальні сталі застосовують для виготовлення ріжучого інструменту. Вони мають високу твердість і зносостійкість. Інструментальні сталі поділяють на якісні і високоякісні. Маркуються вони літерою У і числом, що означає вміст вуглецю у десятих частках відсотка. В кінці марки високоякісної сталі додають літеру А, наприклад У7, У7А, У10, У10А, У12, У12А. З інструментальних сталей виготовляють металорізальний інструмент і інструмент для металообробки.

Вміст вуглецю значною мірою впливає на будову і властивості вуглецевих сталей. Міцність і твердість сталі суттєво зростають при збільшенні вмісту вуглецю, але пластичність і ударна вязкість при цьому різко падає (рис. 2.1).

Механічні властивості вуглецевих сталей можна суттєво змінити за допомогою різних видів термічного оброблення. Термічним обробленням називають сукупність операцій нагрівання, витримування при високій температурі і охолодження заготовок або готових виробів з метою зміни їх структури і надання їм потрібних властивостей (міцність, твердість, зносостійкість тощо). Залежно від режимів нагрівання і охолодження термічне оброблення поділяють на відпал, гартування і відпуск.

Відпал – це термічна операція, що полягає у нагріванні сталі до температури, що перевищує температуру фазового перетворення, витримці деякий час при цій температурі з подальшим повільним охолодженням (зазвичай разом з піччю). Мета відпалу – отримати рівноважну і однорідну структуру, зменшити твердість і підвищити пластичність сталі, полегшити її оброблення тиском і різанням.

Гартування – це термічна операція, що полягає у нагріванні сталі до тих самих температур, що і для відпалу, з подальшим швидким охолодженням (зазвичай у воді або маслі). В результаті гартування твердість і міцність сталі зростає у декілька разів. Недоліком гартування є виникнення в металі значних механічних напружень, для зменшення яких загартовані вироби відпускають.

Відпуск – це термічна операція, що полягає у нагріванні сталі до температур, що не перевищує температуру фазового перетворення, витримці деякий час при цій температурі з подальшим повільним охолодженням (зазвичай на повітрі). З підвищенням температури відпуску міцність і твердість сталі зменшується, а в’язкість – збільшується.

Термічне вороніння – процес отримання на поверхні вуглецевої або низьколегованої сталі або чавуну шару оксидів заліза завтовшки 1-10 мкм витримуванням при температурі 300-450°C у повітряній атмосфері. При цьому поверхня деталі покривається тонким шаром масляного лаку. Від товщини цього шару залежить його колір (кольори мінливості), що змінюються при збільшенні товщини плівки від жовтого, вишневого, фіолетового, синього до синьо-чорного. Вороніння використовується як декоративне і антикорозійне покриття.

 

ЛЕГОВАНІ сталі

Легованими називають сталі, до складу яких додають легуючі елементи (Cr, Ni, W, Mo, V, Ti, Co, Mn, Si та ін.), що впливають на механічні і фізико-хімічні властивості сталі. Властивості легованих сталей визначаються складом і вмістом легуючих елементів, а також характером їх взаємодії з залізом і вуглецем. Легуючі елементи можуть розчинятися в залізі (Ni, Co, Al, Si, Mn), або утворювати карбіди (W, Mo, V, Ti та ін.). Карбіди і металеві сполуки підвищують міцність сталі.

Маркування легованих сталей складається з літер і цифр. Перші дві цифри вказують на вміст вуглецю у сотих частках відсотка, літери позначають легуючі елементи, а цифри після літер – на вміст легуючих елементів у відсотках. Якщо цифра після літери відсутня, то вміст цього елемента приблизно 1%. В якості легуючих елементів найчастіше застосовують хром (Х), нікель (Н), марганець (Г), кремній (С), вольфрам (В), молібден (М) і ванадій (Ф), значно рідше — кобальт (К), титан (Т), алюміній (Ю) та інші метали. Наприклад, сталь марки 10Х18Н10Т містить 0,1%С, 18%Cr, 10%Ni, 1%Ti.

За ступенем легуваннясталі поділяють нанизьколеговані (вміст легуючих елементів до 2,5%), середньолеговані (вміст легуючих елементів до 2,5-10%) і високолеговані (вміст легуючих елементів більше 10%). Головна мета легування – підвищення міцності, стійкості проти корозії, теплостійкості, жаростійкості, жароміцності, збільшення прогартовуваності та ін.

Вплив окремих легуючих елементів на властивості сталі. Хром — при кількості більше ніж 13% надає корозійної стійкості, понад 5% — жаростійкості. Нікель — одночасно з міцністю підвищує ударну в'язкість, а також жароміцність (понад 8%). Кремній — в ресорно-пружинних сталях надає пружності, а у високотемпературних сталях — жаростійкості. Вольфрам і молібден — утворюють важкорозчинні карбіди і при значній кількості (понад 5%) надають сталі теплостійкості.

За призначенням леговані сталі поділяють на конструкційні, інструментальні і сталі з спеціальними властивостями.

Конструкційні леговані сталі призначені для виготовлення відповідальних деталей машин і конструкцій. Вони повинні мати високу міцність, в’язкість, а в деяких випадках також твердість і пружність. Приклади таких сталей: низьколеговані маловуглецеві сталі 09Г2, 10Г2С, 15ХСНД. Вони добре зварюються, тому їх використовують у машинобудуванні і будівництві для виготовлення зварних конструкцій, трубопроводів, котлів. Маловуглецеві хромомарганцеві і хромонікелеві сталі 18ХГТ, 20ХГР, 12ХН3А, 15ХГН2ТА використовуються для виготовлення деталей машин, що зазнають знакозмінних і ударних навантажень, а також зношування, наприклад, шестерні, вали, пресувальні матриці тощо.

Інструментальні леговані сталі повинні мати високу твердість і зносостійкість. Ці сталі містять до 1% вуглецю і легуються карбідоутворюючими елементами Cr і W. До таких сталей відносять 9ХСГ, ХВГ, Х12М. З них виготовляють різальні інструменти, матриці пресів. Особливо високою зносостійкістю відзначаються швидкорізальні сталі з високим вмістом вольфраму Р18, Р6М5.

До сталей з спеціальними властивостями належать високолеговані сталі, що мають особливі хімічні або фізичні властивості: магнітні, електричні, високу корозійну стійкість, жаростійкість, жароміцність.

Корозійностійкі сталі мають високу корозійну стійкість у хімічно активних газових і рідких середовищах, що досягається за рахунок вмісту хрому понад 13%. Стійкість проти корозії підвищується при введенні до складу сталі нікелю, алюмінію, кремнію. Ці елементи утворюють безперервну міцну оксидну плівкую. При вмісті хрому понад 12% сталь різко змінює свій електродний потенціал з електронегативного (-0,6В) на електропозитивний (+0,2 В). На поверхні утворюється щільна захисна плівка оксиду Сr₂О₃.

Сталь, що містить 12-14% Сr, стійка проти корозії на повітрі, у морській воді, ряді кислот, лугів і солей. Хромисті сталі корозійностійкі при температурі до 300°С у водопровідній воді, вологій атмосфері, розчинах азотної кислоти і багатьох органічних кислотах. У морській воді хромисті сталі схильні до корозійного розтріскування при значних механічних навантаженнях. Приклади таких сталей: 10Х13, 40Х13, 10Х25, 12Х18Н9, 10Х18Н10Т.

Жаростійкі і жароміцні сталі мають здатність сталі чинити опір газовій корозії при підвищених температурах та зберігати достатню міцність при високих температурах. Жаростійкість забезпечується легуванням сталей хромом, кремнієм та алюмінієм, які утворюють захисні плівки (Fe, Cr)₂О₃, SiO₂, Al₂O₃. До жаростійких сталей відносяться леговані сталі 25Х6С10, 40Х9С2, 15Х25Т, 12Х18Н10Т.

Жароміцність досягається легуванням тугоплавкими хімічними елементами (хром, нікель, молібден). Як правило, жароміцні сталі мають і високу жаростійкість. Це сталі 15Х2МФС, 15Х11МФ, 40Х10С2М, 10Х18Н10Т, 40Х15Н7Г7Ф2МС.

Зносостійка сталь–сталь Гадфільда (110Г13Л) використовується для виготовлення деталей, які працюють в умовах абразивного тертя й високого тиску та ударів (наприклад, траки гусеничних машин, деталі подрібнювачів, хрестовини залізничних і трамвайних колій, черпаки землерийних машин).

Магнітні сталі і сплави поділяють на магнітотверді, які застосовуються для виготовлення постійних магнітів, і магнітом’які, які використовуються для виготовлення магнітопроводів (осердь трансформаторів, реле, електромагнітів). Магнітотверді сталі виготовляють легуванням Cr, W, Co (ЕХ3, ЕХ7В7, ЕХ5К5), а також сплавляючи залізо з Al, Ni, Co (сплави типу альніко – ЮНДК15). До магнітом’яких належать технічно чисте залізо, кремнієві електротехнічні сталі, а також спеціальні сплави: пермалої (сплав заліза с нікелем), альсіфери (сплави заліза з алюмінієм і кремнієм).

Сплави з високим електричним опором призначені для виготовлення електронагрівальних елементів нагрівальних приладів. До таких сплавів відносять ніхроми -–сплави нікеля і хрома (Х20Н80), а також фехралі – сплави заліза з алюмінієм і хромом (Х13Ю4). Вони мають високий електричний опір (приблизно на два порядки більший, ніж у міді) і здатні тривалий час працювати при температурі до 1300°С.

 

Запитання для самоперевірки:

1. Що таке вуглецеві сталі?

2. Від який чинників і як залежать властивості вуглецевих сталей?

3. Що таке леговані сталі?

4. З якою метою сталі легують?

5. Як леговані сталі поділяють за використанням?

 

Лекція 3. КОРОЗІЯ. МЕТОДИ ЗАХИСТУ ВІД КОРОЗІЇ

Корозією (лат. corrodere - роз'їдати, руйнувати) називають руйнування матеріалів в результаті хімічної або електрохімічної дії середовища. Це явище характерно не лише для металів і сплавів, але і для неметалевих матеріалів - пластмас, кераміки, тощо.

Розрізняють хімічну корозію, яка зумовлена дією сухих газів, а також рідин, що не є електролітами (нафта, бензин, фенол), і електрохімічну корозію, яка зумовлена дією рідких електролітів: водних розчинів, що містять іони і є провідниками електрики (солі, кислоти, луги, вологе повітря).

 

ХІМІЧНА КОРОЗІЯ

Найбільш поширеним видом хімічної корозії є газова корозія при високих температурах, що є процесом взаємодії матеріалу з киснем або активними газовими середовищами (галогени, діоксид сірки, сірководень, пари сірки, діоксид вуглецю і т. д.). У виробничих умовах найчастіше стикаються з окисленням металів. У випадках сплавів на основі заліза окислення відбувається з утворенням окалини.

Склад атмосфери також впливає на корозію металів. У містах, де повітря забруднене промисловими газами, корозія проявляється значно сильніше, ніж у сільській місцевості. Для сталевих деталей особливо шкідливими є сірчистий газ SO₂, сірководень H₂S, хлор Сl₂ і хлористий водень НСl. Хлористий водень також небезпечний для алюмінієвих і магнієвих сплавів. Для мідних сплавів характерна підвищена корозія в атмосфері аміаку NH₃.

За ступенем корозійної агресивності розрізняють наступні види атмосфер: суха континентальна, морська чиста, морська індустріальна, індустріальна, індустріальна сильно забруднена.

Здатність металів протистояти хімічній корозії зумовлені:

1) утворенням суцільних оксидних плівок на їх поверхні (для забезпечення суцільності плівок необхідно, щоб об'єм оксиду V_ок був більше об'єму металу V_мет, з якого він утворився: V_ок/V_мет>1, інакше утворюється переривчаста плівка, не здатна ефективно захистити метал від корозії).

2) високою механічною міцністю оксидних плівок;

3) міцним зчепленням оксидної плівки з металом;

4) достатньою товщиною оксидної плівки.

Цим вимогам задовольняє, зокрема, плівка оксиду хрому Сr₂О₃ що зумовлює високу стійкість проти корозії сталей і жаростійких сплавів з високим вмістом хрому.

 

ЕЛЕКТРОХІМІЧНА КОРОЗІЯ

Електрохімічна корозія виникає при контакті двох металів або двох фазових складових одного металу, що розрізняються за електродними потенціалами у електролітному середовищі. Здатність металів або окремих фаз протистояти електрохімічній корозії залежить від значення їх електродного потенціалу. Електродний потенціал – це різниця електричних потенціалів між електродом та електролітом, в контакті з яким він знаходиться (найчастіше всього між металом і розчином електроліту).

Метал або фаза, що мають негативний електродний потенціал (анод) віддають позитивно заряджені іони в розчин і розчиняються. Електрони перетікають в метал або фазу, що мають вищий електродний потенціал (катод). Катод при цьому не руйнується, а електрони з нього ввиходять в зовнішнє середовище. Чим нижче електродний потенціал металу або фази по відношенню до стандартного водневого потенціалу, прийнятого за нульовий рівень, тим легше метал або фаза віддають іони в розчин, і тим нижче їх корозійна стійкість.

Швидкість електрохімічної корозії прямопропорційна різниці потенціалів металевих пар. Наприклад, для пари Сu-Zn різниця потенціалів складає 1,1…1,3В (електродний потенціал міді +0,34…+0,52 В, а цинку -0,76В). Для пари Cu-Al різниця потенціалів складає вже 2,0…2,4В (електродний потенціал алюмінію -1,66В). Отже, корозійне руйнування у другій парі буде інтенсивнішим. У цих парах мідь є катодом, а цинк і алюміній - анодом. Завдяки негативному потенціалу в розчин переходять позитивні іони цинку і алюмінію, тому вони руйнуються (кородують). В той же час мідний катод не зазанає корозії.

Розрізняють наступні основні види електрохімічної корозії: рівномірна, місцева і міжкристалітна.

У випадку однофазного матеріалу, наприклад, чистого металу або однорідного твердого розчину, корозія поширюється рівномірно по всій поверхні деталі - відбувається рівномірна корозія (рис. 3.1, а). Термічна обробка, що веде до гомогенізації структури (відпал), робить сплав стійкішим проти електрохімічної корозії.

В неоднорідних металах виникає місцева корозія, охоплюючи окремі анодні ділянки поверхні з низьким значенням електродного потенціалу (рис. 3.1, б). До місцевої корозії відносяться пітинг або точкова корозія, а також плямиста і виразкова. Області місцевої корозії є концентраторами механічних напружень.

Анодними ділянками можуть бути границі зерен і фаз, тоді як зерна самі по собі є катодами. В цьому випадку розвивається найбільш небезпечний вид корозії - міжкристалітна корозія. Вона майже непомітна з поверхні і поширюється в глиб металу по границях зерен (рис. 3.1, в), призводячи до руйнування металу.

Великий вплив на процес корозії у водних середовищах має розчинений в рідині кисень. При достатньому вмісті кисню на поверхні металу утворюється захисна оксидна плівка, що підвищує електродний потенціал металу. Небезпечні анодні зони утворюються в місцях поганої аерації, де ускладнений доступ кисню з повітря. Сталева плита, яка знаходилася під шаром піску, кородує швидше, ніж плита, яка залишалася під безпосереднім впливом атмосфери. Сталеві цвяхи в старих дерев'яних конструкціях руйнуються набагато швидше, ніж їх голівки, розташовані зовні.

Основними методами захисту від корозії є нанесення захисних покриттів і плівок, зміна електрохімічного потенціалу матеріалу, модифікація корозійного середовища.