<< Пред. стр. 4 (из 7) След. >>
Список литературы по разделу
Накатывание стальных шариков
(шарика)
Прочность увеличивается в раза.
Износостойкость в больше,чем при шлифовке. Для коленчатых валов предел выносливости повышается на .
Лекция 7
Способы литья
Литье в землю
Недостатки этого метода заключаются в том, что поверхность детали получается шероховатой, охлаждение детали происходит очень медленно, то есть производительность будет низкой, также такой детали присущи низкие механические свойства, так как кристаллизация происходит длительное время и образуется крупнозернистая структура у детали.
Литье в оболочковые формы
Преимущества этого метода заключаются в высокой точности отлива, также получается низкая шероховатость поверхности и малый расход формовочного материала.
Недостатками этого метода являются ограничения по массе у детали (до 100кг), также формы можно использовать малое число раз (2?3 раза), что способствует низкой производительности.
Литье по выплавляемым моделям
Модель изготавливается из парафина, стеарина, церезина и других материалов. В роли связующего выступает кварцевый песок совместно с этил силикатом.
Недостатком этого метода является то, что используемые формы однократного применения, у которых маленькая толщина оболочки, то есть детали получаются небольших размеров (до 10кг).
Непрерывное литье
Достоинства этого метода в том, что допустима неограниченная длина отливки, также осуществима высокая производительность.
Недостатки этого метода - форма изделий представляет собой деталь с однородным сечением.
Литье в кокиль
Повышенные механические свойства и плотность
Вследствие большой скорости охлаждения жидкого металла в кокиле образуется мелкокристаллическая структура отливок, что способствует повышению их плотности и механических свойств.
Повышенная точность размеров и чистота поверхности отливок
Благодаря более точным и стабильным размерам металлических форм и более чистой их поверхности повышается точность размеров и чистота поверхности отливок. Точность отливок из алюминиевых и магниевых сплавов при литье в кокиль на два класса выше, чем при литье в песчаные формы.
Меньшие припуски на механическую обработку
Вследствие большей точности и чистоты поверхности отливок при литье в кокиль припуски на механическую обработку отливок на 40-50% меньше, чем при литье в песчаные формы.
Экономия формовочных и вспомогательных материалов
При литье в кокиль алюминиевых и магниевых сплавов применяют незначительную часть песчаных стержней, на которые расходуется меньше формовочных и вспомогательных материалов, чем при литье в песчаные формы.
По мере роста удельного веса литья в кокиль в общем производстве отливок расход формовочных и вспомогательных материалов резко снижается. Соответственно уменьшаются грузопоток и затраты на приготовление и транспортировку этих материалов.
Снижение брака
Более стабильные условия технологического процесса литья в кокиль по сравнению с литьем в песчаные формы дают возможность снизить брак.
Снижение расхода металла
Получение более точных отливок с меньшими припусками на механическую обработку, уменьшение веса литниковой системы, а также увеличение с 20 до 30% использования отходов в шихте при литье в кокиль цветных сплавов позволяет уменьшить черновой вес отливок и снизить расход свежих чушковых материалов. Экономия свежих металлов при литье в кокиль достигает на отдельных отливках от 37 до 75%.
Снижение трудоемкости
При литье в кокиль сокращается производственный цикл изготовления отливок, так как исключаются операции приготовления формовочных смесей и формовки, уменьшается объем изготовления и сушки песчаных стержней, плавки металла и отделки отливок. В результате значительно снижается трудоемкость производства отливок.
Снижение себестоимости
Перечисленные выше преимущества литья в кокиль приводят к снижению себестоимости отливок из цветных сплавов.
Кроме того, при литье в кокиль облегчается очистка и обрубка литья, значительно уменьшается число применяемого оборудования (формовочных и стержневых машин, очистного и другого технологического и транспортного оборудования). Увеличивается съем литья с квадратного метра производственной площади и резко улучшаются санитарно-технические условия труда.
Литье под давлением
Литье под давлением является одним из самых прогрессивных методов получения отливок из цветных сплавов.
Сущность процесса литья под давлением состоит в том, что в стальную пресс-форму под большим давлением и с большой скоростью вводится расплавленный металл. При этом происходит мгновенное заполнение всей полости формы любой сложной конфигурации. Этот метод обеспечивает получение тонкостенных отливок с чистой поверхностью и точными размерами. Литье под давлением по сравнению с другими способами получения отливок имеет ряд преимуществ:
Высокая точность размеров отливки
В основном точность размеров отливок соответствует 5-му классу точности по ГОСТу 2689-54. Точность размеров отливки зависит от точности изготовления пресс-формы, состава сплава и его температуры, температуры формы и продолжительности выдержки металла под давлением.
Высокий класс чистоты поверхности отливок
Шероховатость поверхности отливок соответствует 6-му классу чистоты по ГОСТу 2789-59. Чистота поверхности отливок зависит в первую очередь от чистоты обработки пресс-формы (ухудшается по мере износа формы) и от применяемых сплавов. Шероховатость поверхности алюминиевых и магниевых отливок соответствует 5-8-му классу чистоты.
Минимальный объем механической обработки отливок
В сочетании с высокой точностью размеров и высокой чистотой поверхности детали, отлитые под давлением, в большинстве случаев не требуют последующей механической обработки.
Минимальный расход металла
Этим методом можно изготовлять тонкостенные отливки, получение которых другими методами литья невозможно. Изготовление отливок без припусков на механическую обработку приводит к минимальному расходу дорогостоящих цветных металлов.
Высокая прочность
Благодаря быстрому охлаждению отливки приобретают мелкозернистую структуру и повышенную прочность. Чем меньше толщина стенки отливки, тем больше ее прочность.
По сравнению с другими способами литье под давлением позволяет полностью механизировать и автоматизировать технологический процесс получения отливок и имеет самый короткий производственный цикл. Указанные преимущества литья под давлением приводят к значительному повышению производительности труда, улучшению условий труда и снижению себестоимости отливок в несколько раз.
Однако преимущества литья под давлением проявляются главным образом в крупносерийном и массовом производстве, когда очень быстро окупаются затраты на изготовление стальных пресс-форм. Стойкость пресс-форм зависит от применяемых сплавов и является одним из основных факторов, определяющих себестоимость деталей, получаемых литьем под давлением, и целесообразность применения этого способа.
Литье под давлением широко применяется в автомобилестроении, приборостроении, авиационной промышленности, в радиотехнике и электропромышленности, а также и в других отраслях машиностроения. Этому способствует создание все более мощных машин литья под давлением, позволяющих расширить ассортимент отливок, увеличить их габаритные размеры и сложность, а также повысить качество отливок.
Центробежное литье
Сущность процесса литья центробежным способом заключается в том, что заполнение формы жидким сплавом и кристаллизация его происходит под воздействием центробежных сил. Центробежным способом получают отливки, имеющие не только форму тел вращения, но и другие фасонные отливки.
Детали, имеющие форму тел вращения, например втулки, вкладыши подшипников, венцы, червячные колеса, барабаны и др., отливают на центробежных машинах с вертикальной или с горизонтальной осью вращения.
Литье центробежным способом цветных сплавов широко распространено. Объясняется это тем, что, наряду с повышением качества литья, значительно снижается расход ценных цветных металлов, уменьшается брак и снижается стоимость отливок.
Одним из преимуществ литья тяжелых цветных сплавов центробежным способом является то, что под действием центробежной силы неметаллические включения, как более легкие, вытесняются на внутреннюю (свободную) поверхность, откуда легко удаляются механической обработкой. Скорость вращения формы связана с температурным интервалом кристаллизации заливаемого сплава. Чем больше интервал кристаллизации, тем больше должна быть скорость вращения формы.
Литье под низким давлением
Особенностью этого способа является заполнение формы расплавом снизу вверх непосредственно из печи и кристаллизации отливки под действием низкого давления.
На крышку герметичного металлического тигля, помещенного в электропечь, установлена металлическая форма. Через крышку тигля проходит один или два металлопровода, немного не доходящих до дна тигля. Верхняя часть металлопровода через литниковую втулку сообщается с коллектором литниковой системы. Внутренняя полость отливки оформляется песчаным стержнем, внутри которого находится трубчатый литой каркас. На металлическую форму установлен песчаный стержень с фильтром из стружки. По трубопроводу в тигель подается сжатый воздух или инертный газ, который, оказывая давление на поверхность сплава, вытесняет его по металлопроводу вверх в литниковую систему и через нее в полость формы.
Сначала расплав подается медленно, затем, достигнув электроконтакта в нижней части формы, включает дополнительное давление пневмосистемы и быстро заполняет полость формы. Достигнув второго электроконтакта, расплав включает прибор, прекращающий дальнейшее повышение давления пневмосистемы. Давление поддерживается на постоянном уровне до полного затвердения отливки. Стружковый фильтр пропускает воздух, вытесняемый из формы поступающим расплавом, но препятствует выходу металла, обеспечивая плавное торможение потока в конце заполнения полости формы.
После затвердевания отливки давление в тигле автоматически сбрасывается, форма раскрывается и отливка извлекается.
Автоматическое управление скоростью заполнения формы металлом впервые осуществлено при разработке машин для литья под низким давлением. Литье под низким давлением применяется при изготовлении сложных крупногабаритных тонкостенных деталей из алюминиевых и магниевых сплавов.
Литье выжиманием
Для получения крупногабаритных тонкостенных деталей панельного типа изобрели новый способ литья в металлические формы со сближающимися стенками. Разработанный по этому принципу литейный процесс назван "литье выжиманием".
Залитый в нижнюю часть раскрытой формы (металлоприемник) жидкий сплав по мере сближения стенок закрывающейся формы поднимается и заполняет ее. При этом на стенках формы идет наращивание кристаллизующегося сплава, удаление избытка расплава наружу и соединение в одно целое закристаллизовавшегося сплава.
Литье выжиманием имеет следующие две особенности, определяющие его сущность как метода получения тонкостенных деталей с большой поверхностью:
1. Процесс заполнения формы расплавом происходит сплошным потоком, сечение которого во много раз превосходит толщину стенки отливки. В результате намного снижаются гидравлические потери при заполнении полости формы и создаются условия замедленной кристаллизации сплава.
2. Формообразование отливки происходит в процессе сжимания потока жидкого сплава в два этапа. Сначала сплав кристаллизуется на стенках формы в виде корки с постепенным наращиванием толщины слоя за счет расплава, непрерывно подаваемого из металлоприемника в зоны кристаллизации. Затем корки соединяются в цельную отливку с одновременным удалением избытка жидкого металла вместе с находящимися в нем загрязнениями.
Лекция 8
Конструкционные материалы
Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам
Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Делали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых эксплуатационные, технологические и экономические.
Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того, чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, конструкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность.
Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации.
Механические свойства, определяющие конструкционную прочность и выбор конструкционного материала, рассмотрены ниже. Требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры.
Среда - жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, в которой работает материал, оказывает существенное и преимущественно отрицательное влияние на его механические свойству, снижая работоспособность деталей. В частности, рабочая среда может вызывать повреждение поверхности вследствие коррозионного растрескивания, окисления и образования окалины, изменение химического состава поверхностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами. Кроме того, возможны разбухание и местное разрушение материала в результате ионизационного и радиационного облучения. Для того чтобы противостоять рабочей среде, материал должен обладать не только механическими, но и определенными физико-химическими свойствами: стойкостью к электрохимической коррозии, жаростойкостью, радиационной стойкостью, влагостойкостью, способностью работать в условиях вакуума и др.
В некоторых случаях важно также требование определенных магнитных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильности размеров деталей (особенно высокоточных деталей приборов).
Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характеризуют возможные методы его обработки. Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей.
Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Стали и сплавы по возможности должны содержать минимальное количество легирующих элементов. Использование материалов, содержащих легирующие элементы, должно быть обосновано повышением эксплуатационных свойств деталей. Экономические требования, так же как и технологические, приобретают особое значение при массовом масштабе производства.
Таким образом, качественный конструкционный материал должен удовлетворять комплексу требований.
Прочность конструкционных материалов и критерии ее оценки
Конструкционная прочность - комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности.
Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы. Критериями прочности при статистических нагрузках являются временное сопротивление или предел текучести, характеризующие сопротивление материала пластической деформации. Поскольку при работе большинства деталей пластическая деформация недопустима, то их несущую способность, как правило, определяют по пределу текучести. Для приближенной оценки статической прочности используют твердость НВ.
Большинство деталей машин испытывает длительные циклические нагрузки. Критерий их прочности - предел выносливости. По величине выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем больше допустимые рабочие напряжения и тем самым меньше размеры и масса детали. Однако повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих напряжений сопровождается увеличением упругих деформаций.
Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким модулем упругости (или сдвига), являющимся критерием его жесткости. Именно критерии жесткости, а не прочности обусловливают размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.
Возможно и противоположное требование. Для пружин, мембран и других чувствительных упругих элементов приборов, наоборот, важно обеспечить большие упругие перемещения. Для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важное значение имеет эффективность материала по массе.
Таким образом, в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно отражают прочность в условиях эксплуатации.
Надежность - свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает внезапный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно считается наиболее опасным из-за протекания с большой скоростью при напряжениях ниже расчетных, а также возможных аварийных последствий.
Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластичностью и ударной вязкостью. Однако эти параметры надежности, определенные на небольших лабораторных образцах без учета условий эксплуатации конкретной детали, достаточно показательны лишь для мягких малопрочных материалов. Необходимо также учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения. К таким факторам относятся концентраторы напряжений (надрезы), понижение температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров деталей.
Для того чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации, необходимо учитывать трещиностойкость материала. Трещиностойкость - группа параметров надежности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.
Количественная оценка трещиностойкости основывается на линейной механике разрушения. В соответствии с ней очагами разрушения высокопрочных материалов служат небольшие трещины эксплуатационного или технологического происхождения. Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (локальные) напряжения, в вершине которых могут во много раз превышать средние расчетные напряжения.
Долговечность - свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени. Причины потери работоспособности разнообразны: развитие процессов усталости, изнашивания, ползучести, коррозии, радиационного разбухания и пр. Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение. Обеспечение долговечности материала означает уменьшение до требуемых значений скорости его разрушения.
Для большинства деталей машин долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию. Поэтому эти причины потери работоспособности материала требуют подробного рассмотрения.
Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Цикл напряжения - совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями ?max и ?min в течение периода Т.
Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталостивыносливостью.
Износостойкость - свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание - процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изнашивания называют износом. Его определяют по изменению размеров, уменьшению объема или массы. Износостойкость материала оценивают величиной, обратной скорости изнашивания.
Классификация конструкционных материалов
Перечень конструкционных материалов, применяемых в машино- и приборостроении, велик, и классифицировать их можно по разным признакам. Большинство из них, такие, как стали, чугуны, сплавы на основе меди и легких металлов, являются универсальными. Они обладают многочисленными достоинствами и используются в различных деталях и конструкциях.
Наряду с универсальными применяют конструкционные материалы определенного функционального назначения: жаропрочные, материалы с высокими упругими свойствами, износостойкие, коррозионно- и жаростойкие.
Классификация подразделяет конструкционные материалы по свойствам, определяющим выбор материала для конкретных деталей конструкций. Каждая группа материалов оценивается соответствующими критериями, обеспечивающими работоспособность в эксплуатации. Универсальные материалы рассматриваются в нескольких группах, если возможность применения их определяется различными критериями. В соответствии с выбранным принципом классификации все конструкционные материалы подразделяют на следующие группы:
1. Материалы, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность
2. Материалы с особыми технологическими свойствами
3. Износостойкие материалы
4. Материалы с высокими упругими свойствами
5. Материалы с малой плотностью
6. Материалы с высокой удельной прочностью
7. Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды
Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочности
Детали машин и приборов, передающих нагрузку, должны обладать жесткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из многообразия материалов в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа - чугуна и особенно стали. Стали обладают высоким наследуемым от железа модулем упругости и тем самым высокой жесткостью, уступая в этом лишь бору, вольфраму, молибдену, бериллию, которые из-за высокой стоимости используются только в специальных случаях. Высокая жесткость и доступность обусловливают широкое применение сталей для изготовления строительных металлоконструкций, корпусных деталей, ходовых винтов станков, валов и многих других деталей машин.
Высокую жесткость стали сочетают с достаточной статической и циклической прочностью, значение которой можно регулировать в широком диапазоне изменением концентрации углерода, легирующих элементов и технологии термической и химико-термической обработки.
Применяемые в технике сплавы на основе меди, алюминия, магния, титана, а также пластмассы уступают стали по жесткости, прочности или надежности. Кроме комплекса этих важных для работоспособности деталей свойств, стали могут обладать и рядом других ценных качеств, делающих их универсальным материалом. При соответствующем легировании и технологии термической обработки сталь становится износостойкой, либо коррозионно-стойкой, либо жаростойкой и жаропрочной, а также приобретает особые магнитные, тепловые или упругие свойства. Стали свойственны также хорошие технологические свойства. К тому же она сравнительно недорога. Вследствие этих достоинств сталь - основной металлический материал промышленности.
Классификация конструкционных сталей
Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре и прочности.
По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. По концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,7% С) и высокоуглеродистые (> 0,7% С). Легированные стали в зависимости от введенных элементов подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромокремнемарганцевые и многие другие. По количеству введенных элементов их разделяют на низко-, средне- и высоколегированные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 5%, в среднелегированных содержится от 5 до 10%, в высоколегированных - более 10%.
По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.
Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей - серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,055% S и 0,045% Р, качественные - не более 0,04% S и 0,035% Р, высококачественные - не более 0,025% S и 0,025% Р, особовысококачественные - не более 0,015% S и 0,025% Р.
По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.
Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие слали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si < 0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей.
Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: 1) доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; 2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; 3) аустенитные; 4) ферритные. Углеродистые стали могут быть первых двух классов, легированные - всех классов.
Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали
Сталь - сложный по составу железоуглеродистый сплав. Кроме железа и углерода - основных компонентов, а также возможных легирующих элементов, сталь содержит некоторое количество постоянных и случайных примесей, влияющих на ее свойства.
Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,8%, оказывает определяющее влияние на их свойства. Степень его влияния зависит от структурного состояния стали, ее термической обработки.
После отжига углеродистые конструкционные стали имеют ферритно-перлитную структуру, состоящую из двух фаз - феррита и цементита. Количество цементита, который отличается высокой твердостью и хрупкостью, увеличивается пропорционально концентрации углерода. В связи с этим, по мере повышения содержания углерода, увеличиваются прочность и твердость, но снижаются пластичность и вязкость стали.
Влияние углерода еще более значительно при неравновесной структуре стали. После закалки на мартенсит временное сопротивление легированных сталей интенсивно растет по мере увеличения содержания углерода и достигает максимума при 0,4%С. При большей концентрации углерода становится нестабильным из-за хрупкого разрушения стали, о чем свидетельствуют низкие значения ударной вязкости. При низком отпуске механические свойства полностью определяются концентрацией углерода в твердом растворе.
Углерод изменяет и технологические свойства стали. При увеличении его содержания снижается способность сталей деформироваться в горячем и особенно в холодном состояниях, затрудняется свариваемость.
Постоянные примеси в стали: марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород.
Марганец - полезная примесь; вводится в сталь для раскисления и остается в ней в количестве 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.
Кремний - полезная примесь; вводится в сталь в качестве активного раскислителя и остается в ней в количестве до 0,4%, оказывая упрочняющее действие.
Сера - вредная примесь, вызывающая красноломкость стали - хрупкость при горячей обработке давлением. В стали она находится в виде сульфидов. Красноломкость связана с наличием сульфидов, которые образуют с железом эвтектику, отличающуюся низкой температурой плавления (988 °С) и располагающуюся по границам зерен. При горячей деформации границы зерен оплавляются, и сталь хрупко разрушается. От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды, исключающие образование легкоплавкой эвтектики. Устраняя красноломкость, сульфиды, так же как и другие неметаллические включения (оксиды, нитриды и т. п.), служат концентраторами напряжений, снижают пластичность и вязкость стали. Содержание серы в стали строго ограничивают. Положительное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием.
Фосфор - вредная примесь. Он растворяется в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость - снижение вязкости по мере понижения температуры. Сильное охрупчивающее действие фосфора выражается в повышении порога хладноломкости. Каждая 0,01 % Р повышает порог хладноломкости на 25 °С. Хрупкость стали, вызываемая фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода.
Фосфор - крайне нежелательная примесь в конструкционных сталях. Однако современные методы выплавки и переплавки не обеспечивают его полного удаления. Основной путь его снижения - повышение качества шихты.
Кислород, азот и водород - вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению. Кислород и азот растворяются в феррите в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами). Кислородные включения вызывают красно- и хладноломкость, снижают прочность. Повышенное содержание азота вызывает деформационное старение.
Водород находится в твердом растворе или скапливается в порах и на дислокациях. Хрупкость, обусловленная водородом, проявляется тем резче, чем выше прочность материала и меньше его растворимость в кристаллической решетке.
Случайные примеси - элементы, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа в сталь попадает сурьма, олово и ряд других цветных металлов. Сталь, выплавленная из уральских руд, содержит медь, из керченских - мышьяк. Случайные примеси в большинстве случаев оказывают отрицательное влияние на вязкость и пластичность стали.
Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов
Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы железо-углерод. Это объясняется тем, что в технике наиболее широко применяют железоуглеродистые сплавы.
Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе железо-карбид железа (цементит), и стабильная, характеризующая превращение в системе железо - графит.
На то, что система железо - графит является более стабильной, чем система железо-цементит, указывает тот факт, что при нагреве до высоких температур цементит распадается на железо и графит, т. е. переходит в более стабильное состояние.
Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом
Железо и углерод - элементы полиморфные. Железо с температурой плавления 1539°С имеет две модификации - ? и ?. Модификация Fe?, существует при температурах до 911°С и от 1392 до 1539°С, имеет ОЦК решетку с периодом 0,286 нм. Важной особенностью Fe? является его ферромагнетизм ниже температуры 768 С, называемой точкой Кюри.
Модификация Fe? существует в интервале температур от 911 до 1392°С и имеет ГЦК решетку, период которой при 911°С равен 0,364 им. ГЦК решетка более компактна, чем ОЦК решетка. В связи с этим при переходе Fe? в Fe? объем железа уменьшается приблизительно на 1%.
Углерод существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз.
Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.
Феррит (обозначают Ф) - твердый раствор внедрения углерода в Fe?. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низкотемпературном феррите мала и составляет 0,02%, в высокотемпературном-0,1%. Столь низкая растворимость углерода в Fe? обусловлена малым размером межатомных пор
в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться
в дефектах.
Аустенит (обозначают А) - твердый раствор внедрения углерода в Fe?. Он имеет ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому растворимость углерода в Fe? значительно больше и достигает 2,14%. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (НВ 1600-2000) при температуре 20-25 °С.
Цементит (обозначают Ц) - карбид железа Fe3C. Содержит 6,69 %С и имеет сложную ромбическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (НВ 8000) и хрупок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при температуре 210°С. Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве. Она установлена равной 1260°С при нагреве лазерным лучом.
Графит - углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок.
Превращения в сплавах системы железо-цементит
Диаграмма состояния Fe-Fe3C характеризует фазовый состав и превращения в системе железо - цементит (6,69 % С). Особенность диаграммы - наличие на оси составов двух шкал, показывающих содержание углерода и цементита. Координаты характерных точек диаграммы приведены в таблице. Точка А определяет температуру плавления чистого железа, а точка D - температуру плавления цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки H и Р характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут ясны после проведенного анализа диаграммы.
Обозначение точки на диаграмме
Температура,
°С
Концентрация углерода, %
А
Н
J
В
N
D
Е
С
F
G
Р
S
К
1539 1499 1499 1499
1392 1260 1147 1147 1147
911
727
727
727
0
0,1
0,16
0,51
0
6,69
2,14
4,3
6,69
0
0,02
0,8
6,69
Превращения в сплавах системы Fe-Fe3C происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры эта растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (двойная вертикальная линия DFKL). Цементит, выделяющийся из жидкости, называют первичным; цементит, выделяющийся из аустенита - вторичным; цементит, выделяющийся из феррита - третичным. Соответственно линию CD на диаграмме состояния называют линией первичного цементита, ES- линией вторичного цементита; PQ-линией третичного цементита. В системе железо - цементит происходят три изотермических превращения:
перитектическое превращение на линии HJB (1499°С)
ФН + ЖВ>AJ
эвтектическое превращение на линии ECF (1147 °С)
ЖС> [АE + Ц]
эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °С)
АS> [ФР + Ц]
Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом, а эвтектоидная смесь феррита и цементита - перлитом.
Эвтектоид - перлит (содержит 0,8 %С) и эвтектику-ледебурит (4,3 %С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей. При охлаждении ледебурита до температур ниже линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при температуре 20-25°С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (> НВ 6000) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.
Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две группы: стали, содержащие до 2,14%С, и чугуны.
Углеродистые стали
На долю углеродистых сталей приходится 80% от общего объема. Это объясняется тем, что эти стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давлением они значительно превосходят легированные стали. Однако углеродистые стали менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает значительные деформации и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с легированными сталями их следует подвергать отпуску при более низкой температуре, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструкционную прочность.
Главный недостаток углеродистых сталей - небольшая прокаливаемость (до 12 мм), что существенно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой. Крупные детали изготовляют из сталей без термического упрочнения. По статической прочности углеродистые стали относятся преимущественно к сталям нормальной прочности. Углеродистые конструкционные стали выпускают обыкновенного качества и качественные.
Легированные стали
Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. По ГОСТ 4543-71 принято обозначать хром - X, никель - Н, марганец - Г, кремний-С, молибден-М, вольфрам-В, титан-Т, ванадий-Ф, алюминий - Ю, медь-Д, ниобий - Б, бор-Р, кобальт-К. Цифра, стоящая после буквы, указывает на примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента меньше или около 1 %.
Две цифры в начале марки конструкционной легированной стали показывают содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20ХНЗА в среднем содержит 0,20%С, 1 % Сг и 3 % Ni. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная. Особовысококачественные стали имеют в конце марки букву Ш.
Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки шарикоподшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, электротехнических - с буквы Э, автоматных - с буквы А.
Влияние легирующих элементов на механические свойства сталей
Легирующие элементы вводят для повышения конструкционной прочности стали. Легированные стали производят качественными, высококачественными или особовысококачественными. Их применяют после закалки и отпуска, поскольку в отожженном состоянии они по механическим свойствам практически не отличаются от углеродистых.
Улучшение механических свойств обусловлено влиянием легирующих элементов на свойства феррита, дисперсность карбидной фазы, устойчивость мартенсита при отпуске, прокаливаемость, размер зерна.
В конструкционных сталях феррит - основная структурная составляющая (не менее 90% по объему), во многом определяющая их свойства. Легирующие элементы, растворяясь в феррите, упрочняют его. Наиболее сильно повышают твердость медленно охлажденного феррита кремний, марганец, никель, т. е. элементы, имеющие отличную от него кристаллическую решетку.
К важнейшим факторам, способствующим повышению конструкционной прочности, относятся снижение при легировании критической скорости закалки и увеличение прокаливаемости. Наиболее эффективно повышает прокаливаемость введение нескольких элементов : Cr + Mo, Cr + Ni, Cr + Ni + Mo и др. При комплексном легировании высокие механические свойства можно получить практически в сечении любого размера, поэтому комплексно-легированные стали применяют для крупных деталей сложной формы. Большинство легирующих элементов измельчает зерно, что способствует повышению работы развития трещины и снижению порога хладноломкости.
Для обеспечения высокой конструкционной прочности количество легирующих элементов в стали должно быть рациональным. После достижения необходимой прокаливаемости избыточное легирование (за исключением никеля) снижает трещиностойкость и облегчает хрупкое разрушение.
Лекция 9
Цветные сплавы
Медные сплавы
Свойства меди. Медь металл красновато-розового цвета; кристаллическая ГЦК решетка, полиморфных превращений нет. Медь менее тугоплавка, чем железо, но имеет большую плотность. Медь обладает хорошей технологичностью. Она прокатывается в тонкие листы, ленту. Из меди получают тонкую проволоку, медь легко полируется, хорошо паяется и сваривается. Медь характеризуется высокими теплопроводностью и электропроводимостью, пластичностью и коррозионной стойкостью.
Примеси снижают все эти свойства. По ГОСТ 859-78 в зависимости от содержания примесей различают следующие марки меди: М00 (99,99%Cu), М0 (99,97%Cu), M1 (99,9%Cu), М2 (99,7%Cu), МЗ (99,5%Cu). Наиболее часто встречающиеся в меди примеси подразделяют на три группы.
1. Растворимые в меди элементы Al, Fe, Ni, Zn, Ag повышают прочность и твердость меди и используются для легирования сплавов на медной основе.
2. Нерастворимые элементы РЬ и Bi ухудшают механические свойства меди и однофазных сплавов на ее основе. Образуя легкоплавкие эвтектики, располагающиеся по границам зерен основной фазы, они вызывают красноломкость. Причем вредное влияние висмута обнаруживается при его содержании в тысячных долях процента, поскольку его растворимость ограничивается 0,001%. Вредное влияние свинца также проявляется при малых его содержаниях (< 0,04 %). Висмут, будучи хрупким металлом, охрупчивает медь и ее сплавы. Свинец, обладая низкой прочностью, снижает прочность медных сплавов, однако вследствие хорошей пластичности не вызывает их охрупчивания. Кроме того, свинец улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием медных сплавов, поэтому применяется для легирования двухфазных сплавов меди.
<< Пред. стр. 4 (из 7) След. >>
Список литературы по разделу