Классификация конструкционных материалов

Классификация конструкционных материалов

Исходя из природы конструкционных и инструментальных материалов, их можно разделить на следующие основные группы:

1. Металлические материалы, к которым относятся:

сплавы на основе железа – чистое железо, стали, чугуны;

стали и сплавы с особыми физическими свойствами (магнитные и немагнитные стали и сплавы, аморфные сплавы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, сплавы с эффектом памяти формы и т.д.);

цветные металлы и сплавы – алюминий и сплавы на его основе (деформирующиеся и литейные; упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой), медь и сплавы на ее основе (латуни, бронзы), титан и сплавы на его основе, подшипниковые сплавы и др.

композиционные материалы с металлической матрицей;

2. Неметаллические материалы:

полимерные органические материалы – пластмассы (термореактивные и термопластичные), резины;

композиционные материалы с неметаллической матрицей (стекло-пластики, углепластики, оргпластики и др.);

неорганические материалы (стекло, ситаллы, керамика);

3. Материалы со специальными свойствами – электронные материалы, материалы с особыми оптическими свойствами (волоконная оптика, люминофоры), проводниковые материалы.

 

 

Общая характеристика металлов

Металлы – это химические элементы, атомы которых легко отдают электроны внешнего (а некоторые и предвнешнего) электронного слоя, превращаясь в положительные ионы.
Типичными металлами являются щелочные и щелочноземельные металлы, которые характеризуются небольшим (1-2) числом электронов на внешнем уровне их атомов и легкостью потери электронов, что отражает низкие значения электроотрицательности.
Алюминий, галлий, бериллий, германий, олово, свинец и сурьма проявляют уже амфотерные (то есть металлические и неметаллические – металлоидные) свойства. Подобное поведение характерно и для большинства элементов побочных подгрупп.
Для атомов металлов характерны небольшие значения электроотрицательности (от 0,7-1,9) и исключительно восстановительные свойства, то есть способность отдавать электроны.
В главных подгруппах периодической системы металлы находятся ниже диагонали бор-астат, а также в побочных подгруппах. В периодах и главных подгруппах действуют закономерности в изменении металлических, а значит, восстановительных свойств элементов.
Физические свойства:
Все металлы – твердые вещества (кроме ртути, которая при обычных условиях жидкая); вид связи – металлическая; обладают характерным металлическим блеском. Валентные электроны слабо связаны с конкретным атомом и в кристалле металла существует так называемый электронный газ. Поэтому все металлы обладают высокой электропроводностью (то есть они – проводники), особенно медь, серебро, золото, ртуть и алюминий; высока и теплопроводность металлов. Многие металлы обладают пластичностью (например, олово, алюминий), ковкостью.

Химические свойства:
Восстановительная способность. Щелочные металлы на воздухе сразу окисляются (даже самовоспламеняются), поэтому их хранят под слоем керосина или парафина. При окислении щелочных металлов, как правило, образуются не оксиды, а пероксиды металлов:

2Na + O2 = Na2O2

Другие металлы окисляются медленно при обычной температуре или при нагревании с образованием оксидов:

4Al + 3O2 = 2Al2O3

Серебро, золото и платина не окисляются даже при нагревании. Металлы взаимодействуют при тех или иных условиях с неметаллами:

Fe + S = FeS

Взаимодействие с водой. Активные щелочные и щелочно-земельные металлы с водой реагируют очень бурно с выделением водорода и образованием щелочи:

2Na + 2HOH = 2NaOH + H2

Менее активные металлы вытесняют водород из воды при нагревании. Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений металлов за водородом, с водой не взаимодействуют. - взаимодействие с кислотами. Металлы, находящиеся в ряду напряжений левее водорода вытесняют водород из растворов соляной и разбавленной серной кислот:

Zn + HCl = ZnCl2 + H2

При взаимодействии металлов с азотной и концентрированной серной кислотами водород никогда не выделяется. В зависимости от активности металла, степени концентрации кислоты и условий проведения реакции эти кислоты могут восстанавливаться до соединений, имеющих различную степень окисления.
При взаимодействии металлов (в зависимости от активности металла) с концентрированной H2SO4продуктами восстановления серной кислоты могут быть: SO2, S, H2S. Железо пассивируется.
Со щелочами могут реагировать металлы, оксиды и гидроксиды которых амфотерны (Zn, Al, Sn). При этом выделяется водород:

Zn + 2NaOH = Na2ZnO2 + H2

или более точная запись:

Zn + 2NaOH + H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2

При взаимодействии металлов с азотной кислотой водород не выделяется, происходит восстановление N+5. B зависимости от активности металла и степени разбавления HNO3, продуктами могут быть: NO2, NO, N2O, N2, NH4NO3.
Взаимодействие с солями. При взаимодействии с водными растворами солей металлы, находящиеся в электрохимическом ряду напряжений металлов левее, восстанавливают металлы, находящиеся в этом ряду правее от них:

Fe + CuSO4 = Cu↓ + FeSO4

Металлы с сильными восстановительными свойствами (Li, Na, K, Ca и др) в этих условиях будут восстанавливать водород воды, а не металл соответствующей соли.
Способы получения металлов:
Пирометаллурия – получение металлов из руд с помощью реакций восстановления, проводимых при высоких температурах.

2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2↑

Восстановление углем (коксом) – проводят если металл совсем не образует карбидов или образует непрочные карбиды:

Cu2O + C = 2Cu + CO↑

Восстановление металла водородом (применяется в промышленных масштабах):

MoO3 + 3H2 = Mo + 3H2O

Металлотермия, например алюмотермия:

Cr2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Cr

Гидрометаллургия (получение металлов из растворов их солей):

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O
CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4

Электрометаллургия – электролиз – окислительно-восстановительный процесс протекающий при прохождении электрического тока через раствор или расплав электролита:
2NaCl → 2Na + Cl2↑

 

 

Дефекты кристаллической решетки металлов

Идеальных кристаллов, в которых все атомы находились бы в положениях с минимальной энергией, практически не существует. Отклонения от идеальной решетки могут быть временными и постоянными. Временные отклонения возникают при воздействии на кристалл механических, тепловых и электромагнитных колебаний, при прохождении через кристалл потока быстрых частиц и т. д. К постоянным несовершенствам относятся:

• точечные дефекты (межузельныс атомы, вакансии, примеси). Точечные дефекты малы во всех трех измерениях, их размеры по всем направлениям не больше нескольких атомных диаметров;

• линейные дефекты (дислокации, цепочки вакансий и меж-узельных атомов). Линейные дефекты имеют атомные размеры в двух измерениях, а в третьем - они значительно больше размера, который может быть соизмерим с длиной кристалла;

• плоские, или поверхностные, дефекты (границы зерен,

границы самого кристалла). Поверхностные дефекты малы

только в одном измерении;

• объемные дефекты, или макроскопические нарушения (за

крытые и открытые поры, трещины, включения постороннего

вещества). Объемные дефекты имеют относительно большие

размеры, несоизмеримые с атомным диаметром, во всех трех измерениях.

Как межузельные атомы, так и вакансии (т. е. узлы решетки, в которых отсутствуют атомы) являются термодинамически равновесными дефектами: при каждой температуре в кристаллическом теле имеется вполне определенное количество дефектов.

Примеси в решетках имеются всегда, поскольку современные методы очистки кристаллов не позволяют еще получать кристаллы с содержанием примесных атомов менее 10й см-3. Если атом примеси замещает атом основного вещества в узле решетки, он называется примесью замещения. Если примесный атом внедряется в междоузлие, его называют примесью внедрения.

 

 

Кристаллизация металла

Когда металл переходит из жидкого состояния в твердое, этот процесс называется кристаллизацией. Необходимо знать, что основы теории кристаллизации разработаны основоположником науки о металлах – металловедения Д. К. Черновым. Онустановил, что кристаллизация состоит из двух процессов: зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей или цент­ров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров (рис. 8).

Рис. 8. Последовательные этапы процесса кристаллизации

В процессе роста кристаллов к их зародышам при­соединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала кристаллысвободны и сохраняют правильную геометрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов друг с другом. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается. В результате кристал­лы не имеют правильной геометри­ческой формы. Такие кристаллы называют кристаллитами или зернами. Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем больше кристаллов образуется в данном объеме и каждый кристалл (зерно) меньше

На практике это подтверждается в тонких сечениях литых деталей, охлаждающихся более быстро. На этих участках металл всегда получается более мелкозернистым, чем в толстых массивных литых объемах, охлаждающихся медленнее. Метод получения мелкого зерна при затвердевании металла заключается созданием искусственных центров кристаллизации. Для этого в расплавленный металл вводят специальные вещества, назы-ваемые модификаторами. Процесс искусственного регулированияразмеров зерен получил название модифицирования. Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их столкновений между собой, но и составом сплава, наличием примесей и условиями охлаждения. В большинстве случаев при кристаллизации металлов механизм образования кристаллов носит так называемый дендритный характер. Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После обра-зования зародышей их развитие идет главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковкиатомов (минимальное межатомное расстояние). В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла – так называемые оси первого порядка (1 на рис. 10, б). В дальнейшем от осей первого порядка под определенными углами начинают расти новые оси, которые называют осями второго порядка 2, от осей второго порядка растутоси третьего порядка 3 и т. д. По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка (четвертого, пятого, шестого и т. д.), которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом.

В условиях, при которых не хватает жидкого металла для заполнения пространства между осями, например, при затвердевании последних объемов слитка, дендритное строение выявляется весьма отчетливо (рис. 10, а).В условиях, при которых не хватает жидкого металла для заполнения пространства между осями, например, при затвердевании последних объемов слитка, дендритное строение выявляется весьма отчетливо В условиях, при которых не хватает жидкого металла для за­полнения пространства между осями, например, при затвердева­нии последних объемов слитка, дендритное строение выявляется весьма отчетливо

Степень переохлаждения зависит от природы и чи­стоты металла. Чем чище металл, тем при большей степени переохлаждения возникают зародыши твердых кри­сталлов.

 

 

Динамические испытания

Из динамических испытаний самым распространенным является испытание на ударный изгиб. Этим испытанием определяют ударную вязкость KCU, т. е. работу, затраченную иа излом надрезанного образца, зависящую от пластичности и прочности. Учитывая, что нагрев образца проводят вне копра и при переносе его из печи к месту испытания теряется тепло на опорах копра, то точно установить температуру испытаний трудно. При определении численных значений характеристик механических свойств стали или сплава необходимо иметь в виду, что значения эти условные. Они зависят от внутренних и внешних факторов. К внутренним факторам относятся: состояние (литое, деформированное, кованое, прокатанное и т. п.) и структура (равноосная, столбчатая, мелкая, крупная); к внешним факторам — температура, схема и скорость деформирования, размеры образца, условия нагружеиия (дробное или непрерывное) и Др.[18, С.143]

Основным видом динамических испытаний, получившим широкое распространение, является ударное испытание надрезанных образцов на маятниковых копрах, главным образом на изгиб. Такие испытания проводят при начальной скорости удара 3 — 6 м/с. Перемещение ударяющего молота в процессе разрушения замедляется, причем тем в большей степени, чем ближе запас потенциальной энергии молота к величине работы, поглощенной в процессе разрушения образца. Между ударными испытаниями на копрах и динамическими испытаниями на высокоскоростных машинах имеется различие. Ударное испытание происходит при расходовании заданного запаса потенциальной энергии без подвода дополнительной энергии извне, из-за чего скорость деформирования в процессе деформации или разрушения может существенно снизиться. При испытаниях на высокоскоростных машинах в процессе деформации и разрушения об-[13, С.209]

 

 

Измерение твердости

Твердость характеризуется способностью металла противостоять проникновению в него другого, более твердого тела. Испытание на твердость производится большей частью путем вдавливания твердого тела в испытуемый материал. Наиболее распространенными методами измерения твердости являются следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

При измерении твердости металла по Бринеллю под действием плавно увеличивающейся нагрузки в испытуемый металл вдавливают стальной шарик и после снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка, оставшегося на поверхности образца. Деление величины нагрузки (в килограммах) на площадь поверхности сферического отпечатка (в квадратных миллиметрах) дает число твердости НВ.

Замер твердости по Роквеллу производится алмазным конусом стандартного типа или стальным закаленным шариком диаметром 1,588 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах.

Замер твердости по Виккерсу производят при помощи алмазного наконечника, имеющего правильную форму четырехгранной пирамиды, который под действием нагрузки вдавливается в испытуемый образец. После снятия нагрузки измеряют диагонали полученного на образце отпечатка. Число твердости определяют путем деления нагрузки на площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка.

 

 

Легирующие элементы в стали

Азот (N)

Азот применяется в сталях в качестве заменителя углерода и никеля. Он значительно повышает коррозионную стойкость стали.

Ванадий (V)

Ванадий улучшает такие свойства стали, как твёрдость и прочность, а также значительно повышает её износостойкость. Ванадий присутствует в инструментальных и быстрорежущих сталях.

Вольфрам (W)

Вольфрам является металлом с самой высокой температурой плавления. Он используется во многих отраслях. Вольфрам, наравне с молибденом, является обязательным элементом для быстрорежущих сталей. Помимо устойчивости к высокой температуре, наличие вольфрама в стали, улучшает такие свойства, как износостойкость и твёрдость.

Кобальт (Co)

В небольшом количестве кобальт присутствует в твёрдых сплавах и быстрорежущих сталях. Он увеличивает твердость и прочность стали.

Кремний (Si)

В небольших количествах кремний не оказывает серьезного влияния на свойства стали. Однако, при повышении содержания кремния, повышаются упругость и коррозионная стойкость.

Марганец (Mn)

Марганец увеличивает твердость и устойчивость стали к износу. Однако его содержание в больших количествах повышает хрупкость.

Молибден (Mo)

Молибден представляет собой легирующую добавку, которая повышает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах. Также он делает состав стали более равномерным. Молибден является обязательным элементом в быстрорежущих сталях.

Никель (Ni)

Никель, так же как и азот повышает коррозионную стойкость стали. Кроме того, он незначительно повышает прочность.

Ниобий (Nb)

Ниобий является достаточно редкой легирующей добавкой. Он повышает износостойкость и коррозионную стойкость стали.

Сера (S)

Сера достаточно вредный элемент. Она понижает коррозионную стойкость стали и её механические свойства. По этим причинам содержание серы в сталях обычно ничтожно мало, однако сера может быть специально добавлена в сталь для того, чтобы, повысить её обрабатываемость.

Титан (Ti)

Обычно титан добавляют в сталь для повышения прочности, стойкости к коррозии и температурам. Также он способствует измельчению зерна и улучшает обрабатываемость.

Углерод (C)

Углерод является одним из основных элементов, которые определяют свойства стали. От количества углерода в стали зависят её твёрдость и прочность. Также он положительно влияет на стойкость (сохранность) режущей кромки, устойчивость к износу и истиранию. Из отрицательных сторон высокого содержания углерода стоит отметить повышение склонности стали к коррозии.

Фосфор (P)

Фосфор, так же, как и сера, является вредной примесью. Он снижает механические свойства стали и повышает её хрупкость. По возможности, фосфор стараются полностью удалять из стали.

Хром (Cr)

Хром увеличивает стойкость стали к коррозии и износу. Сталь считается нержавеющей, если содержание хрома в ней больше или равно 14%. Правда, справедливости ради, стоит отметить, что сталь даже с высоким (порядка 17-19%) содержанием хрома, при определённых условиях, всё же подвержена коррозии. Также высокое содержание хрома приводит к повышению хрупкости и ударной вязкости стали.

 

 

Вредные примеси в стали

Основные вредные примеси - сера и фосфор

Так же к вредным примесям относятся газы (азот, кислород, водород).

Сера вредная примесь - попадает в сталь главным образом с исходным сырьём чугуном. сера нерастворима в железе, она образует с ним соединение FeS сульфид железа. при взаимодействием с железом образуется эвтектика (Fe + FeS) с температурой плавления 9880 С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 9000 С ста- ль становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовка разрушается. Это явление называется красноломкостью. Одним из способов уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение Mns плавится при 16200 С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости.

Содержание серы в сталях допускается не более 0.06%.

Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном, используемым также для выплавки стали. До 1.2% фосфор растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда могут образоваться участки, богатые фосфором.

Расположенный вблизи границ фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние (хладноломкость). Поэтому фосфор, как и сера, является вредной примесью, содержание его в углеродистой стали допускается до 0.050%.

Скрытые примеси: Так называют присутствующие в стали газы - азот, кислород, водород - ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при её выплавки. В твёрдой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химическое соединение (нитриды, оксиды). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях.

Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их в стали допускается 10-2 - 10-4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются.

 

Конструкционные стали

Конструкцио́нная сталь — сталь, которая применяется для изготовления различных деталей,механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладает определёнными механическими, физическими и химическими свойствами. Конструкционные стали подразделяются на несколько подгрупп.

Качество конструкционных углеродистых сталей определяется наличием в стали вредных примесейфосфора (P) и серы (S). Фосфор — придаёт стали хладноломкость (хрупкость). Сера — самая вредная примесь — придаёт стали красноломкость. Содержание вредных примесей в стали:

Обыкновенного качества — P и S — до 0.05 % (маркировка Ст).

Качественная — P и S — до 0.035 % (маркировка Сталь).

Высококачественная — P и S — до 0.025 % (маркировка А в конце марки).

Особовысококачественная — Р и S — до 0.015 % (маркировка Ш в конце марки).

По степени раскисления

Степень раскисления определяется содержанием кремния (Si) в этой стали. По степени раскисления углеродистые стали обыкновенного качества делятся на:

спокойные (СП) — не менее 0,12% (Si)

полуспокойные (ПС) — 0.07-0.12 % (Si)

кипящие (КП) — не более 0.07 % (Si)

Маркировка

Основные марки конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества:

Ст1кп2; БСт2пс; ВСт3Гпс; Ст4-2; … ВСт6сп3.

Буква перед маркой показывает группу стали. Сталь группы А — буквой не обозначается.

Ст — показывает, что сталь обыкновенного качества.

Первая цифра — номер по ГОСТу (от 0 до 6).

Буква Г после первой цифры — повышенное содержание марганца (Mn)-(служит для повышения прокаливаемости стали).

сп; пс; кп — степень раскисления стали (Для стали группы А отсутствие обозначения подразумевает "сп").

Вторая цифра — номер категории стали (от 1 до 6 — основные механические свойства). Сталь 1-й категории цифрой не обозначается.

Тире между цифрами указывает, что заказчик не предъявлял требований к степени раскисления стали.

Применение

Ст1; Ст2 — проволока, гвозди, заклёпки.

Ст3; Ст4 — крепёжные детали, фасонный прокат.

Ст5; Ст6 — слабонагруженные валы, оси.

 

 

Высокопрочные стали

Высокопрочными называют стали, имеющие предел прочности более 1500 МПа, который достигается подбором химического состава и оптимальной термической обработки. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях, (30ХГСН2А,40ХН2МА), применяя закалку с низким отпуском (при температуре 200…250oС) или изотермическую закалку с получением структуры нижнего бейнита.

После изотермической закалки среднеуглеродистые легированные стали имеют несколько меньшую прочность, но большуюпластичность и вязкость. Поэтому они более надежны в работе, чем закаленные и низкоотпущенные. При высоком уровне прочности закаленные и низкоотпущенные среднеуглеродистые стали обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения, склонностью к хрупкому разрушению, поэтому их рекомендуется использовать для работы в условиях плавного нагружения.

Легирование вольфрамом, молибденом, ванадием затрудняет разупрочняющие процессы при температуре 200…300 oС, способствует получению мелкого зерна, понижает порог хладоломкости, повышает сопротивление хрупкому разрушению.

Стали 30ХГСА, 38ХН3МА после низкотемпературной термомеханической обработки имеют предел прочности 2800 МПа,относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в два раза по сравнению с обычной термической обработкой. Это связано с тем, что частичное выделение углерода из аустенита при деформации облегчает подвижность дислокаций внутри кристаллов мартенсита, что способствует увеличению пластичности.

 

 

Износостойкие стали

характеризуются высокой устойчивостью против истирания. В эту группу входят шарикоподшипниковые, высокомарганцовые и другие стали.

Износостойкие стали способны сопротивляться процессу изнашивания.

Износостойкие стали могут быть весьма различными по своим механическим свойствам и строению. Различают износ контактный и абразивный. Контактный износ имеет место при трении одной поверхности о другую, сопровождаемом давлением или ударами. Абразивным износом называют истирание металлической поверхности в результате трения о нее твердых частиц, движущихся в струе жидкости или газа вдоль этой поверхности. [3]

Износостойкие стали обладают большим сопротивлением износу. Износостойкость сталь приобретает в результате легирования ее марганцем. Наиболее распространенной маркой стали является высокомарганцевая сталь Г13 содержащая 1 0 - 1 3 % углерода, 12 - 14 % марганца и другие элементы. Эта износостойкая и одновременно высокопластичная сталь применяется для изготовления звеньев гусениц (траки), козырьков ковшей экскаваторов и землечерпалок, стрелок и крестовин рельсов, а также других деталей, работающих на удар и подверженных интенсивному износу. [4]

Износостойкие стали обладают большим сопротивлением износу. Износостойкость сталь приобретает в результате легирования ее марганцем. [5]

Большинство износостойких сталей имеет мартенситную основу с равномерно распределенными включениями карбидов. Для сталей, работающих в условиях высоких циклических контактных нагрузок (шарикоподшипниковая сталь), особую роль играет при этом тонкость строения мартенсита, дисперсность и равномерность распределения карбидной фазы. [6]

 

Коррозионноустойчивые стали

Устойчивость против коррозии повышается при введении в состав стали хрома,алюминия, кремния. Эти элементы образуют непрерывную прочную оксидную пленку и повышают электродный потенциал, т. е. увеличивают электроположительность стали. Алюминий и кремний повышают хрупкость стали и применяются реже хрома. При содержании хрома более 12 % сталь резко изменяет электродный потенциал с электроотрицательного (–0,6 В) на электроположительный (+0,2 В). На поверхности образуется плотная защитная пленка оксида Сr2О3.

Сталь, содержащая 12 – 14 % Сr, устойчива против коррозии в атмосфере, морской воде, ряде кислот, щелочей и солей. Кроме хрома, в состав коррозионностойких сталей вводят также другие элементы – чаще никель. С ростом содержания хрома коррозионная стойкость стали растет.

Коррозионностойкие стали (corrosion-resistant steel) обычно делят на хромистые ферритные, содержащие 12 – 25 % Сr и 0,07 – 0,2 % С и хромистые мартенситные, содержащие 12 – 18 % Сr и 0,15 – 1,2 % С, а также аустенитные стали, содержащие 12 – 18 % Сr, 8 – 30 % Ni и 0,02 – 0,25 % С.

Хромистые стали коррозионностойки при температуре до 300°С в водопроводной воде, влажной атмосфере, растворах азотной кислоты и многих органических кислотах. В морской воде хромистые стали подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением.

Содержание углерода в коррозионностойких аустенитных сталях ограничено, и желательно, чтобы оно было ниже предела растворимости углерода в легированном никелем аустените при 20°С, составляющего 0,04 %. Присутствие в стали более высоких концентраций углерода может приводить к образованию карбидов хрома типа Сr23С6, вследствие чего твердый раствор обедняется хромом и создается двухфазная структура. При этом снижается коррозионная стойкость стали. Для предотвращения образования карбидов хрома, особенно при технологических нагревах, связанных с проведением операций сварки или пайки и опасностью возникновения межкристаллитной коррозии, в сталь вводят дополнительно титан, ниобий или тантал. Эти элементы связывают углерод в карбиды типа TiC, NbC, TaC, оставляя хром в твердом растворе. Необходимое количество титана для введения в сталь определяют по формуле

Ti = (С – 0,02)*5 - (6.9)

где С – содержание углерода в стали.

Стали, не склонные к межкристаллитной коррозии, называют стабилизированными. Эффект стабилизации может быть достигнут, помимо введения сильных карбидообразующих элементов, снижением содержания углерода ниже 0,04 %.

Хромоникелевые коррозионностойкие стали содержат дефицитный и дорогостоящийникель и поэтому имеют высокую стоимость. В ряде случаев применяют более дешевые стали, в которых весь никель или часть его заменены марганцем. Например, до температур –196°С и в слабоагрессивных средах вместо стали 12Х18Н10Т может быть использована сталь 10Х14Г14Н4Т.

Азот повышает стабильность аустенита, поэтому для повышения коррозионной стойкости можно использовать более высокие концентрации хрома и молибдена, не увеличивая склонность стали к выделению интерметаллидных фаз. Примером может служить сталь 03Х20Н16АГ6, используемая в криогенной технике.

 

Жаропрочные стали

Жаропро́чная сталь — это вид стали, который используется в условиях высоких температур (от 0,3 части от температуры плавления) в течение определённого времени, а также в условиях слабонапряжённого состояния.

Главной характеристикой, определяющей работоспособность стали, является жаропрочность.

Жаропрочность — это способность стали работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения. Основными характеристиками жаропрочности являются ползучесть и длительная прочность. Сопротивление стали разрушению при длительном воздействии температуры характеризуется длительной прочностью.

Длительная прочность — это условное напряжение, под действием которого сталь при данной температуре разрушается через заданный промежуток времени

Жаропрочные свойства в первую очередь определяются температурой плавления основного компонента сплава, затем его легированием и режимами предшествующей термообработки, определяющими структурное состояние сплава. Основой жаропрочных сталей являются твёрдые растворы или пересыщенныё раствор, способные к дополнительному упрочнению вследствие дисперсионного твердения.

Для кратковременной службы применяются сплавы с высокодисперсным распределением второй фазы, а для длительной службы — структурно-стабильные сплавы. Для длительной службы выбирается сплав несклонный к дисперсионному твердению.

Самым распространённым легирующим элементом в жаропрочных сталях является хром (Cr), который благоприятно влияет на жаростойкостьи жаропрочность.

Высоколегированные жаропрочные стали из-за различных систем легирования относятся к различным классам:

ферритные (08Х17Т, 1Х13Ю4, 05Х27Ю5),

мартенситные (20Х13, 30Х13),

мартенситно-ферритные (15Х12ВН14Ф),

аустенитные (37Х12Н8Г8МФБ).

Внутри каждого класса различаются стали с различным типом упрочнения:

карбидным,

интерметаллидным,

смешанным (карбидно-интерметаллидным).

Для котельных установок, работающих длительное время (10 000—100 000 часов) при температурах 500—580 °C, рекомендуются сталиперлитного класса, введение молибдена в которые повышает температуру рекристаллизации феррита и тем самым повышает его жаропрочность.

Однако бо́льшую часть жаропрочных сталей, работающих при повышенных температурах, составляют аустенитные стали на хромоникелевой и хромомарганцевой основах с различным дополнительным легированием. Эти стали подразделены на три группы:

гомогенные (однофазные) аустенитные стали, жаропрочность которых обеспечивается в основном легированностью твёрдого раствора;

стали с карбидным упрочнением;

стали с интерметаллидным упрочнением.

 

 

Медь и ее сплавы

Медь отличается высокими теплопроводностью, электропроводностью, коррозионной стойкостью, низкой температурой плавления, хорошо обрабатывается давлением, удовлетворительно резанием. Широко применятся в электротехнике, машино- и приборостроении. Медь по ГОСТ 859-78 выпускается в виде катодов, слитков, полос, лент, труб, проволоки, поковок, листов.

Латуни – двойные многокомпонентные медные сплавы с основным легирующим элементом – цинком. По сравнению с медью обладает более высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Простые латуни обозначают буквой Л и цифрой, показывающей содержание меди в процентах. В специальных латунях после буквы Л пишут заглавную букву дополнительных легирующих элементов (А - алюминий, Б - бериллий, Ж - железо, К - кремний, Мц - марганец, Н - никель, О - олово, С - свинец, Ц - цинк, Ф. – фосфор) и через тире после содержания меди указывают содержание легирующих элементов в процентах. Латуни разделяют на литейные и деформируемые. Латуни, за исключением свинцовосодержащих, легко поддаются обработке давлением в холодном и горячем состоянии. Все латуни хорошо паяются твердыми и мягкими припоями.

Бронзами называют медные сплавы, в которых основными легирующими элементами являются различные металлы, кроме цинка. Маркируют бронзы буквами Бр, за которыми следуют заглавные буквы легирующих элементов, а через тире цифры, показывающие их процентное содержание.

По сравнению с латунью бронзы обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью и антифракционными свойствами. Они весьма стойки на воздухе, в морской воде, растворах большинства органических кислот, углекислых растворах.

Большинство бронз (за исключением алюминиевых) хорошо поддаются сварке и пайке твердыми и мягкими припоями.

 

 

Отжиг сталей

О́тжиг — вид термической обработки металлов, сплавов, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке в течение определенного времени при этой температуре и последующем, обычно медленном, охлаждении до комнатной температуры. При отжиге осуществляются процессы возврата (отдыха металлов), рекристаллизации и гомогенизации. Цели отжига — снижение твёрдости для облегчения механической обработки, улучшение микроструктуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений[1].

По классификации А. А. Бочвара различают 2 вида отжига:

Отжиг 1-го рода — без фазовой перекристаллизации — применяется для приведения металла в более равновесное структурное состояние: снимается наклёп, понижается твёрдость, возрастают пластичность и ударная вязкость, снимаются внутренние напряжения (в связи с процессами отдыха и рекристаллизации).

Отжиг 2-го рода осуществляется с фазовой перекристаллизацией: металл нагревается до температуры выше критических точек, затем следует выдержка различной продолжительности и последующее сравнительно медленное охлаждение.

Полный и неполный отжиг

Полный отжиг заключается в нагреве стали на 30—50 °C выше верхней критической точки для полного превращения структуры стали ваустенит и последующем медленном охлаждении до 500—600 °C для образования феррита и перлита. Скорость охлаждения для углеродистых сталей около 50—100 °C/час. Если охлаждение ведётся на воздухе, происходит нормализация.

Неполный отжиг заключается в нагреве до температуры между нижней и верхней критическими точками и последующем медленном охлаждении.

Изотермический отжиг

Для легированных сталей применяют изотермический отжиг, состоящий в нагреве выше верхней критической точки А3 область избыточного аустенита, выдержке, охлаждении до температуры ниже нижней критической точки А1, выдержке, достаточной для полного превращения аустенита в перлит, и охлаждении до комнатной температуры.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг

Диффузионный отжиг состоит в нагреве до температур, значительно превосходящих критические точки, и продолжительной выдержке; используется для литого материала, обеспечивает получение равновесной структуры. Диффузионный отжиг приводит к достижению более однородных свойств по объёму изделия и особенно улучшению механических свойств в поперечном (по отношению к прокатке) направлении. В необходимых случаях для предотвращения обезуглероживания стали производят отжиг в защитных атмосферах. При диффузионном отжиге