Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

РЬ -^ 5Ь

Рис. 5. Диаграмма состояния сплавов системы свинец-сурьма (РЪ-8Ъ)

Точка А соответствует чистому свинцу, а точка В — чистой сурьме. По оси ординат в определенном масштабе указывают температуру. Для того чтобы построить диаграм­му состояния сплавов, сначала строят ряд кривых охлажде­ния сплавов одних и тех же элементов с различной концент­рацией.

На основе этих кривых строят диаграмму. Сплавы, ком­поненты которых при затвердевании образуют только меха­нические смеси, относятся к первой группе. Диаграмма этих сплавов условно называется диаграммой состояния первого рода. Диаграмма сплавов, образующих при затвердевании только твердые растворы, называется диаграммой состояния второго рода. Наиболее типичными для диаграмм первого рода являются сплавы свинца с сурьмой.

Построение диаграммы (первого рода) состояния сплавов РЬ-8Ь:

1) кривые охлаждения доэвтектических сплавов;

2) диаграмма состояния сплавов РЪ-8Ъ;

3) кривые охлаждения заэвтектических сплавов.
Диаграмма построена для пяти видов сплава свинца с су­
рьмой:

1) 5% сурьмы и 95% свинца;

2) 10% сурьмы и 90% свинца;

3) 20% сурьмы и 80% свинца;

4) 40% сурьмы и 60% свинца;

5) 80% сурьмы и 20% свинца.

Все они имеют две критические температуры: верхнюю и нижнюю. Изучение процессов кристаллизации этих сплавов показывает, что верхняя критическая температура соответ­ствует началу, а нижняя — концу затвердевания сплава. Та­ким образом, процесс кристаллизации сплавов РЪ-8Ъ резко отличается от кристаллизации чистых металлов. Сплавы кри­сталлизуются в интервале температур, а чистые металлы — при постоянной температуре.

Механическая смесь кристаллов, выделяющихся из жид­кого сплава одновременно, называется эвтектикой (в перево­де с греческого — «хорошо сложенный»). Сплавы указанной концентрации называют эвтектическими. Линия АСВ на диа­грамме называется линией ликвидуса (в переводе с греческого — «жидкий»). Выше этой линии любой сплав свинца с сурьмой

находится в жидком состоянии. Линия ДСВЕ получила назва­ние линии солидуса (в переводе с греческого — «твердый»), или эвтектической линии. Точка С показывает состав эвтек­тики. Сплавы, расположенные левее этой точки, называют доэвтектическими, правее ее — заэвтектическими. В структуре доэвтектических сплавов, кроме эвтектики, всегда есть неко­торое количество свинца, а в заэвтектических, кроме эвтек­тики, — сурьмы.

ЛЕКЦИЯ № 6. Механические свойства металлов

/. Деформация и разрушение

Приложение нагрузки вызывает деформацию. В началь­ный момент нагружение, если оно не сопровождается фазо­выми (структурными) изменениями, вызывает только упру­гую (обратимую) деформацию. По достижении некоторого напряжения деформация (частично) становится необрати­мой (пластическая деформация), необратимо при этом изме­няются и строение металла и, следовательно, его свойства. Зависимость деформации от напряжения изображается так называемой диаграммой растяжения. Условное напряжение:

а = Р / Р₀ (кгс/мм²),

где Р — сила;

Р₀ — начальное сечение, а ось абсцисс — относительная деформация:

е = Д///,

где А/ — приращение длины,

/ — начальная длина.

Тангенс угла наклона — прямой: 1§,а = а/в = Е — модуль нормальной упругости (в кгс/мм²) — характеризует жесткость материала (сопротивление упругому деформированию), кото­рая определяется силами межатомного взаимодействия, зави­сящими в первом приближении от температуры плавления металла. Поскольку легирование и термическая обработка очень слабо влияют на температуру плавления, модуль нор­мальной упругости можно рассматривать как структурно не­чувствительную характеристику. У всех сталей Е ~ 2 х х 10⁴ кгс/мм², а у алюминиевых сплавов Е ~ 0,7 х 10⁴ кгс/мм².

Условное напряжение, при котором нарушается пропорцио­нальная зависимость между 8 и а, есть предел упругости (или предел пропорциональности).

Для технических целей (кроме упругих элементов) малое отклонение от пропорциональной зависимости не считается существенным, и обычно считается, что пластическая дефор­мация наступает тогда, когда остаточная необратимая дефор­мация е_пл становится равной 0,2%. Условное напряжение, при котором е^ = 0,2%, называется пределом текучести (на диаграмме — а_{0 2}) и характеризует сопротивление материала малой пластической деформации. Истинное напряжение до­стигает максимального значения в точке 2— при окончатель­ном разрушении образца. Для высокопрочных и малопла­стичных материалов а_в> 150 кгс/мм², относительное сужение у (изменение сужения) в месте разрыва (разрушения) равно менее 40%, а определяется у по формуле:

где Р₀ — сечение образца до разрушения;

Р_х — сечение в момент максимальной деформации.

Разрушение может быть двух видов, которые можно на­звать «разделение» (герШге) и «разрушение» (луасгдге). Разде­ление типично для высокопластичных материалов (обычно это металлы высокой чистоты), деформирование которых после достижения точки а_в приводит к 100%-му сужению без образования поверхности разрушения. Во всех других слу­чаях сужение достигает какого-то значения, после чего обра­зец разрушается с образованием поверхностей разрушения.

^^ □□

А б

^^

в Рис. 6. Виды разорванных образцов: а — разделение; б — разрушение с предварительной пластической деформацией; в — разрушение без предварительной пластической деформации.

Процессу разрушения предшествуют: упругая деформация и пластическая деформация.

2. Механические свойства металлов

Механические свойства металлов определяются следую­щими характеристиками: предел упругости а_Е, предел теку­чести а_т, предел прочности а_в, относительное удлинение а, относительное сужение \|/ и модуль упругости Е, ударная вяз­кость, предел выносливости, износостойкость.

Твердость, определяемая простейшими неразрушающими методами, зависит в основном от содержания углерода и усло­вий термической обработки стали. Для грубой оценки проч­ности можно пользоваться следующим соотношением: а_в = = ЯД/3.

Все металлические детали машин в процессе эксплуата­ции подвергаются воздействию различных внешних нагрузок, которые могут производиться плавно, постепенно (статиче­ски) или мгновенно (динамически). Воздействуя на детали, внешние нагрузки изменяют их форму, т. е. деформируют. Свойство материалов из металла и сплавов принимать перво­начальную форму после прекращения действия внешних сил называется упругостью, а деформация, исчезающая после снятия нагрузки, получила название упругой. Если к металли­ческой детали приложить большие усилия и после прекраще­ния их действия она не примет своей первоначальной фор­мы, а останется деформированной, то такая деформация называется пластической. Способность металлических мате­риалов и деталей деформироваться под воздействием внеш­них нагрузок, не разрушаясь, и сохранять измененную форму после прекращения действия усилий называется пластич­ностью. Материалы из металлов, не способные к пластиче­ским деформациям, называются хрупкими.

Важным свойством материалов и деталей из металлов на­ряду с упругостью и пластичностью является прочность. Ме­таллические детали или инструмент в зависимости от условий работы должны обладать определенными механическими свой­ствами — прочностью, упругостью, пластичностью.

При длительной эксплуатации металлические детали ма­шин подвергаются повторно-переменным нагрузкам (растяже­ние — сжатие). При напряжениях, меньших предела текучести или предела упругости, они могут внезапно разрушиться. Это явление называется усталостью металлов. Пределом вынос-

ливости (усталости) называют максимальное напряжение, которое выдерживают материалы и детали из металлов, не разрушаясь, при достаточно большом числе повторно-пере­менных нагружений (циклов).

Для стальных образцов эту характеристику устанавливают при 10 млн циклов, для цветных металлов — при 100 млн циклов. Предел выносливости обозначают греческой буквой а__х и измеряют в Па.

В процессе работы многие детали машин нагреваются до высоких температур, достигающих 1000 °С и более. Для таких деталей важной характеристикой является жаропрочность — способность материалов из металлов и сплавов сохранять не­обходимую прочность при высоких температурах. У металлов и сплавов, работающих длительное время под нагрузкой при высоких температурах, наблюдается явление ползучести, т. е. непрерывная пластическая деформация под действием по­стоянной нагрузки (металл «ползет»).

3. Способы упрочнения металлов и сплавов

Поверхностное упрочнение металлов и сплавов широко применяется во многих отраслях промышленности, в частно­сти в современном машиностроении. Оно позволяет полу­чить высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя при сохранении достаточно вязкой сердцевины, способ­ствует повышению долговечности и усталостной прочности. Некоторые методы поверхностного упрочнения отличаются высокой производительностью. В ряде случаев они с большой эффективностью используются вместо обычных методов тер­мической обработки. Существует большое количество дета­лей, к свойствам поверхностного слоя металла которых предъявляются иные требования, нежели к свойствам внут­ренних слоев. Например, зубья шестерен в процессе работы испытывают сильное трение, поэтому они должны обладать большой твердостью, однако иметь небольшую твердость и хорошую вязкость, с тем чтобы зубья не разрушались от толчков и ударов. Следовательно, зубья шестерен должны быть твердыми на поверхности и вязкими в сердцевине.

Наиболее распространенным способом упрочнения по­верхностного слоя металлов и сплавов является поверхност-

ная закалка, при которой высокую твердость приобретает лишь часть поверхностного слоя деталей. Остальная часть не закаливается и сохраняет структуру и свойства, которые бы­ли до закалки. В настоящее время наибольшее распростране­ние получила поверхностная закалка с индукционным нагре­вом токами высокой частоты. Этот высокопроизводительный прогрессивный метод термической обработки обеспечивает повышение механических свойств стали, в том числе предела текучести, усталости и твердости, исключает возможность обезуглероживания, уменьшает опасность окисления поверх­ности изделий и их деформации.

Детали сложной формы, ленточные пилы, режущий инст­румент (фрезы, сверла), рычаги, оси подвергают импульсной поверхностной закалке. Для этого закаливаемую часть детали нагревают до температуры, превышающей температуру обыч­ного нагрева данного материала под закалку, и затем охлаж­дают с большой скоростью за счет отвода тепла в остальную массу детали без применения охлаждающих сред. В результа­те импульсной закалки получают закаленный «белый» слой, устойчивый при отпуске до температуры 450 "С, обладающий мелкозернистой структурой, высокой твердостью и износо­стойкостью.

ЛЕКЦИЯ № 7. Железоуглеродистые сплавы

/. Диаграмма железо—цементит

Диаграмма железо—цементит охватывает состояние же­лезоуглеродистых сплавов, которые содержат до 6,67% угле­рода.

Рис. 7. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (сплошные линии — система Ре-Ре ₃С; штриховые — система Ре-С)

Углеродистые стали — это сплавы железа, содержащие до 2,14% углерода. Стали, имеющие в своем составе до 0,8% углерода, называются доэвтектоидными, 0,8% углерода — эв-тектоидными, свыше 0,8 до 2,14% — заэвтектоидными. Белые чугуны — это сплавы железа, содержащие от 2,14 до 6,67% углерода.

При содержании от 2,14 до 4,3% углерода белые чугуны называются доэвтектическими, при 4,3—6,67% — заэвтекти-ческими. На диаграмме железо—цементит показано состоя-

ние этого сплава при первичной и вторичной кристаллиза­ции. Эти процессы характеризуются кривыми АСВ и АЕСР.

Кривая АСВ — линия ликвидуса — отображает температу­ры, при которых начинается затвердевание железоуглеро­дистых сплавов. Кривая АЕСР — линия солидуса — соответ­ствует температурам, при которых процесс кристаллизации заканчивается. Линия АР относится к сталям, а линия АСЕ— к белым чугунам. Точка А характеризует температуру плавле­ния чистого железа — +1539 "С, а точка В — температуру плавления цементита — +1600 "С. Точка Е соответствует максимальному количеству углерода, которое может быть ра­створено в аустените при высоких температурах. Точка С ука­зывает на состав эвтектики, она соответствует содержанию в сплаве 4,3% углерода. Температура образования эвтектики — +1147 "С. Линия ЕСЕ называется эвтектической, так как в лю­бой ее точке происходит образование эвтектики (ледебурита).

На линии СЕ (заэвтектические чугуны) из жидкого сплава выделится тот компонент, который является избыточным по отношению к эвтектике, т. е. цементит. Так как цементит об­разуется при первичной кристаллизации, его называют пер­вичным. На линии СР возникает эвтектика — ледебурит. Следовательно, в результате первичной кристаллизации за­эвтектические чугуны будут состоять из первичного цемен­тита и ледебурита.

Линия ЕСЕ (+1147 °С) называется эвтектической, так как на ней происходит образование механической смеси аустенита и цементита — ледебурита. Ледебурит имеет эвтектический состав, следовательно, его кристаллизация протекает при по­стоянной температуре +1147 "С. В результате первичной кри­сталлизации сталь получает структуру аустенита, характери­зующуюся хорошей пластичностью и вязкостью. Поэтому такая сталь хорошо поддается обработке давлением при вы­соких температурах. Белые чугуны имеют в своем составе хрупкий и твердый ледебурит, который исключает возмож­ность их обработки давлением даже при высоких температу­рах. Линия Р8К на диаграмме характеризует температуру, при которой завершаются процессы вторичной кристаллиза­ции. Для сталей, представленных на диаграмме, эта темпера­тура равна +727 "С. При температурах ниже +727 °С су­щественных превращений в сталях не наблюдается, структура,

полученная при +727 "С, сохраняется при дальнейшем охлаж­дении сплава (вплоть до комнатной температуры). Линия Р8К называется эвтектоидной. Точка 6* диаграммы соответствует составу эвтектоида — перлиту.

2. Стали: классификация, автоматные стали

Стали служат материальной основой машиностроения, строительства и других отраслей промышленности. Стали яв­ляются основным сырьем для производства листового и про­фильного проката.

По способу производства стали разделяют на бессемеров­скую, конверторную (с продувкой кислородом), мартенов­скую, электросталь, тигельную и сталь, получаемую прямым восстановлением из обогащенной руды (окатышей); по хими­ческому составу — на углеродистые и легированные; по на­значению — на конструкционные, инструментальные, авто­матные и стали с особыми свойствами.

Стали всегда содержат различные примеси. Чем меньше вредных примесей, тем выше качество стали. В зависимости от качества различают стали обыкновенного качества, качест­венные, высококачественные и особо высококачественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества относятся к числу наиболее дешевых и широко применяемых.

В зависимости от назначения углеродистые стали обык­новенного качества подразделяются на три группы: А — по­ставляемые по механическим свойствам, Б — поставляемые по химическому составу и В — поставляемые по механиче­ским свойствам и химическому составу. В зависимости от нормируемых показателей (прочностная характеристика, хи­мический состав) сталь каждой группы подразделяют на ка­тегории: группа А — 1, 2 и 3-я; группа Б — 1, 2-я; группа В — 1, 2, 3, 4, 5, 6-я.

Группа А включает стали следующих марок: Ст 0, Ст 1 кп, Ст 1 пс и т. д. до СТ всп. Буквы «Ст» означают «сталь», цифры от 0 до 6 — условный номер марки, характеризующий меха­нические свойства стали. С увеличением номера марки повы­шаются предел прочности а_в и предел текучести а_т и умень­шается относительное удлинение. Для обозначения степени раскисления после номера марки ставятся индексы: кп — ки-

пящая, пс — полуспокойная, сп — спокойная (например, Ст 3 кп, Ст 3 пс, Ст 3 сп).

В группу Б входят стали следующих марок: БСт 0, БСт 1 кп и т. д. до БСт 6 кп. Для стали группы Б предусмотрены две категории. В первую категорию входят стали всех марок, со­держащие следующие химические элементы: углерод, марга­нец, кремний, фосфор, серу, мышьяк, азот. Ко второй кате­гории относятся стали марок от БСт 1 до БСт 6, имеющие в своем составе хром, никель и медь.

В группу В входят стали марок ВСт 1, ВСт 2, ВСт 3, ВСт 4 и ВСт 5. Добавляемые к марке индексы пс, сп и кп означают степень раскисления стали, например: ВСт 3 сп, ВСт 3 гпс и т. д. Буква «г» после номера указывает на повышенное со­держание марганца.

Для автоматизированных металлорежущих станков метал­лургической промышленностью производятся специальные автоматные стали, способные образовывать ломкую, легко сходящую и легко удаляемую стружку. Это стали повышен­ной и высокой обрабатываемости резанием. Высокая обра­батываемость таких сталей достигается за счет увеличения содержания серы и фосфора (до 0,35%), а также введения свинца (до 0,35%).

Автоматные стали применяются в крупносерийном и мас­совом производствах. Из них изготовляют детали неответ­ственного назначения для автомобилей и тракторов (крепеж, оси, втулки и др.).

3. Чугуны: белые, серые, высокопрочные, ковкие

Чугун — первичный продукт переработки железных руд путем плавки в доменных печах. В структуре чугунов могут быть разные составляющие в зависимости от того, какая часть углерода оказывается в структурно-свободном состоя­нии. Это же определяет название чугунов: белый, серый, вы­сокопрочный, ковкий.

Чугун — самый распространенный железоуглеродистый литейный материал, содержащий свыше 2% углерода, до 4,5% — кремния, до 1,5% — марганца, до 1,8% — фосфора и до 0,08% — серы. Чугун обладает высокими литейными свой­ствами, поэтому широко используется в литейном произвол-

стве в качестве конструкционного материала. Из чугуна, имеющего невысокий коэффициент трения, изготовляют подшипники скольжения.

Белый чугун представляет собой сплав железа с углеродом в виде карбида железа Ре₃С, т. е. углерод находится в связан­ном состоянии в виде химического соединения — цементита. Содержание углерода в белом чугуне колеблется в пределах от 2,14 до 6,67%, причем первичная структура белых чугунов может содержать ледебурит, аустенит и первичный цементит. Кроме того, в микроструктуру белых доэвтектических чугу­нов входят перлит, вторичный цементит и ледебурит — при комнатных температурах. При содержании от 2,14 до 4,3% углерода белые чугуны называются доэвтектическими, при 4,3% — эвтектическими и при 4,3—6,67% — заэвтектическими.

Серый чугун широко применяется в машиностроении. Та­кое название он получил по серому цвету излома, обуслов­ленному наличием в структуре чугуна свободного углерода в виде графита. Металлургическая промышленность выпус­кает одиннадцать марок серых чугунов: СЧ 10 — из него из­готавливают детали, для которых прочностная характеристи­ка не является обязательной, — запорную арматуру (вентили, клапаны, задвижки), сковороды, крышки и так далее; СЧ 15, СЧ 18 — из них изготавливают рычаги, шкивы, фланцы, звездочки, корпусные малонагруженные детали.

Высокопрочный чугун получают путем введения магния — до 0,9% и церия — до 0,05% в жидкий серый чугун перед раз­ливкой его в формы.

Высокопрочный чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния и пониженное содержание марганца. В этом чугуне сочетаются ценные свойства стали и чугуна. В обозначение их марок входят два числа — первое указывает предел прочности на разрыв, второе — относительное удли­нение.

Всего выпускают десять марок высокопрочного чугуна. Например: ВЧ 38-17, ВЧ 42-12, ВЧ 45-5, ВЧ 50-7, ВЧ 100-2, ВЧ 120-2. Из высокопрочных чугунов изготавливают многие детали, в том числе фасонные, корпуса и станины станков, гильзы, цилиндры, зубчатые колеса и т. д.

Выпуска 11 марок ковкого чугуна, причем маркируется он по тому же принципу, что и высокопрочный. Ковкие чугуны

могут иметь ферритную, перлитную и ферритил-перлитную металлическую основу.

Чугуны ферритного класса КЧ 35-10 и КЧ 37-12 исполь­зуют для производства деталей, эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках, — картеров, редукто­ров, ступиц и т. д., а чугуны марок КЧ 30-6 и КЧ 33-8 — для изготовления менее ответственных деталей — хомутов, гаек, вентилей, колодок и т. д.