Реферат: Лекции по материаловедению

--PAGE_BREAK--24. Равновесные структуры в сталях. Их свойства и условия получения.

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Если изменяется состав сплава, его температура, давление и состояние сплава также изменяется, то это находит графическое отображение в диаграмме состояния. Она показывает устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии. Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.
25. Стали. Классификация по качеству, структуре, назначению.

По структуре: технически чистое железо (0,006;0,02), доэвтектоидная (0,02;0,8), эвтектоидная (0,8) и заэвтектоидная сталь (0,8;2,14). Доэвтектоидная сталь: Ф+П, П – тёмный, твёрдый, HB 180, Ф – светлый, более мягкий, пластичный, HB 80. Эвтектоидная сталь: 100% П. Заэвтектоидная сталь: П+Ц. Ц – HB 800, П — HB 180. В процессе медленного охлаждения выделяется ЦII по границам зёрен в виде сетки.

По назначению: 1) строительные до 0,03% C, металл легко деформируется, эти стали не закаливают, они не упрочняются; 2) машиностроительные, или конструкционные 0,3-0,6% C (валы, оси, детали машин), их можно закалить (изменить свойства), упрочняются за счёт термической обработки; 3) инструментальные 0,7-1,3% C, высокая прочность, твёрдость.

По качеству: 1) стали обыкновенного качества, самые дешёвые, плавка идёт всего 30 мин, примеси все не удаётся удалить (S 0,05% и P 0,05%), слитки крупные » 10 т, ликвация сильная, пустоты отрезают, прибыль небольшая; 2) стали качественные, получаются мартеновским способом, S и P до 0,04% в сталях, разливаются в меньшие слитки, меньше ликвация, более дорогие, выше качество, делятся на конструкционные и инструментальные, качественные стали подвергаются упрочняющей термической обработке, поэтому в них важно знать содержание C; 3) кипящие стали, классифицируются по содержанию Si, в некоторых случаях можно понизить содержание Si для штампуемых сталей, Si – сильный раскислитель, C выводит O из стали (жидкого Me), создаётся вид, что сталь кипит, чем больше Si, тем спокойнее сталь, CO ослабляют Me, нужно, чтобы предел текучести был низким, используется для холодной штамповки; 4) высококачественные, получают в электропечах, выше температура, легче удалять вредные примеси; 5) автоматные стали, для обработки на станках-автоматах, стружка должна ломаться (мелкая), в стали оставляют повышенное содержание S до 0,1%, а P до 0,06%, это грязные стали, но хорошо обрабатываемые резанием (болты, шайбы); 6) легированные стали, Х — Cr, Г — Mn, Н — Ni, К — Co, В — W, Ф — V, Т — Ti, С — Si, Ю — Al.
26. Влияние примесей в стали. Классификация сталей по качеству в ГОСТ. Марки сталей.

Бывают вредные: S, P,O, N и полезные: Mn, Si. Сера попадает из кокса вместе с углём. Наиболее чистый древесный уголь, шведские стали самые чистые, т.к. делают на древ. угле. Сера вызывает красноломкость (в процессе прокатки сталь расслаивается, разъезжается). Обычно S в стали 0,02-0,05%. Сера увеличивает хрупкость стали. Влияние фосфора. Попадает из железной руды, создаёт хладноломкость – резкое снижение ударной вязкости при отрицательных температурах. P повышает температуру перехода в хрупкое состояние. Фосфор (много) должен снижать хладноломкость. Кислород, азо вызываю синеломкость. Немцы первые объяснили это явление. Если работают при 300-350° C, и сталь вдруг ломается, поверхность разлома синего цвета (паровые установки). Оказалось, что в структуре образуются нитриды Fe4N на границах зёрен. В сталь добавляется Al» 4г на тонну стали. Al связывает нитриды, синеломкость устраняется. Марганец имеется в стали 0,5-1,5%, иногда вводится дополнительно. Mn уводит S в шлак, освобождая сталь от S, снижает красноломкость. Mn – хороший раскислитель, отбирает кислород у стали. Mn ~ 0,5% в стали. Кремний действует подобно марганцу, является раскислиелем. Влияет сильнее, чем Mn. Si ~ 0,3-0,5% требуется. Si повышает предел текучести стали. Поэтому кремния много не вводится в сталь Штампуемая низкоуглеродистая сталь.

По качеству: 1) стали обыкновенного качества Сталь0 … Сталь3 … Сталь6, Ст.0 … Ст.3 (0,15-0,22% C)… Ст.6, углерод увеличивается; 2) стали качественные: конструкционные, C меньше 0,7% Сталь 08, 10, …45 …60, содержание C в стали в сотых долях % и инструментальные, C больше 0,7% У7…У13, содержание C в десятых долях; 3) кипящие стали 08КП (меньше Si, кипящая), С (больше Si, спокойная), ПС (полуспокойная); 4) высококачественные У7А … У13А; 5) автоматные стали А45Г (0,45% C, Г — Mn); 6) легированные стали 12ХН3А (0,12% C, Х — Cr  1,5%, Н — Ni 3%, А — высококачественная), ЭН-17…1000 (завод «Электросталь»), ЭП-1…1000, ЭК.
27. Стали, марки сталей. Область применения.

1) стали обыкновенного качества Сталь0 … Сталь3 … Сталь6, Ст.0 … Ст.3 (0,15-0,22% C)… Ст.6, самые дешёвые, плавка идёт всего 30 мин, слитки крупные » 10 т, поставляют эти стали по механическим свойствам, не подвергаются термической обработке. 2) стали качественные: конструкционные, C меньше 0,7% Сталь 08, 10, …45 …60, содержание C в стали в сотых долях % и инструментальные, C больше 0,7% У7…У13, содержание C в десятых долях, разливаются в меньшие слитки, более дорогие, выше качество, подвергаются упрочняющей термической обработке, поэтому в них важно знать содержание C. 3) кипящие стали 08КП (меньше Si, кипящая), С (больше Si, спокойная), ПС (полуспокойная), классифицируются по содержанию Si, в некоторых случаях можно понизить содержание Si для штампуемых сталей, Si – сильный раскислитель, C выводит O из стали (жидкого Me), создаётся вид, что сталь кипит, CO ослабляют Me, нужно, чтобы предел текучести был низким, используется для холодной штамповки. 4) высококачественные У7А … У13А, получают в электропечах, выше температура, легче удалять вредные примеси, более дорогие; 5) автоматные стали А45Г (0,45% C, Г — Mn), для обработки на станках-автоматах, стружка должна ломаться (мелкая), в стали оставляют повышенное содержание S до 0,1%, а P до 0,06%, это грязные стали, но хорошо обрабатываемые резанием (болты, шайбы);. 6) легированные стали 12ХН3А (0,12% C, Х — Cr  1,5%, Н — Ni 3%, А — высококачественная), ЭН-17…1000 (завод «Электросталь»), ЭП-1…1000, ЭК.
28. Стали марок Ст.4, 40. Состав, свойства и назначение в промышленности.

Ст.4: сталь общего назначения, обыкновенного качества, σВ (410-530) МПа или (42-54) кгс/мм2, σТ не менее 245 МПа или 25 кгс/мм2, больше прочность, чем у Ст.1, меньше пластичность, C 0,18-0,27%, Mn 0,4-0,7, не подвергаются термической обработке, дешёвая. Для производства машин, станков, строительных металлоконструкций, предметов широкого потребления. 40: сталь качественная, конструкционная, содержание C в стали 0,4%, более дорогая, качество выше, подвергается упрочняющей термической обработке. Машиностроительное производство.
29. Ликвация в металлических сплавах, причины её вызывающие. Ликвация серы в стали, красноломкость.

Ликвация – это неоднородность свойств и строения в сечении материалов. Причиной ликвации является образование разного состава кристалла. Разное количество примесей – серы, фосфора, углерода. Сера вызывает красноломкость, в процессе прокатки сталь расслаивается, разъезжается. Обычно S в стали 0,02-0,05%. Сера склонна к ликвации. В процессе прокатки жидкость растекается. Борьба с красноломкостью: поднимается температура за счёт добавления в сталь марганца (FeMn). <place w:st=«on»>FeS+ FeMn → 2Fe + MnS. Красноломкость уменьшается.
30. Стали. Превращения в стали при нагреве и охлаждении. Критические точки стали по Д.К. Чернову.

У стали кристаллизация заканчивается образованием аустенита, в структуре нет эвтектики (ледебурит отсутствует). Для сталей характерно: легко деформируются в горячем состоянии, со структурой аустенит. Температура плавления 1500-1550°C.

Кривая охлаждения чистого железа.

<img width=«171» height=«62» src=«ref-1_112287860-3235.coolpic» v:shapes="_x0000_i1035"> Остановки – критические точки, обозначаемые A. Их различают при нагреве и охлаждении. Ar2 при охлаждении, Ac2 при нагреве.

Превращения в стали.

<img width=«137» height=«77» src=«ref-1_112291095-3157.coolpic» v:shapes="_x0000_i1036"> <img width=«96» height=«69» src=«ref-1_112294252-1752.coolpic» v:shapes="_x0000_i1037">
31. Графитизация чугунов. Влияние на структуру и свойства. Факторы её вызывающие.

Процесс графитизации: Fe3C→Fe+Cгр. Этот процесс можно ускорить (Si – графитизатор) или задержать (Mn – отбеливатель). Скорость охлаждения отливки влияет на графитизацию. Большая масса и медленное охлаждение, успевает пройти графитизация. Если небольшая масса, то белый чугун. Зависит от массы отливки. В серых чугунах, которые получаются медленным охлаждением жидкого чугуна, графит пластинчатой формы, в ковких – хлопьевидный графит, в высокопрочных – шаровидный. Графитизация проходит полностью, весь C в виде графита, цементит полностью распадается, получается чугун со структурой Ф+Гр, хрупкий, большая масса отливки. Графитизация проходит частично, образуется феррито-перлитовый чугун, прочность больше, возникает в более мелких отливках. Графитизация проходит слабо, перлитный чугун, графита мало, небольшие отливки, большая скорость охлаждения.
32. Влияние кремния, марганца и фосфора на свойства чугуна.

Влияние кремния (Si). Si – важнейший компонент чугунов. Обычные чугуны: Fe-C-Si, 2-3% Si. Si усиливает графитизацию: Fe3C→Fe+Графит. Эта реакция ускоряется при увеличении содержания Si – графитизатора. Влияние марганца (Mn). Mn – раскислитель. FeO+FeMn→MnO(в шлак)+2Fe, чугун очищается от кислорода. Задерживает процессы графитизации. Отбеливание – задерживает распад цементита (отбеливает чугун). Mn до 1%. Влияние фосфора (P). Улучшает жидкотекучесть (легче получить отливку). P до 0,2%, если художественное литьё, P до 0,1% — обычное литьё. Влияние серы (S). S ухудшает свойства чугуна. S до 0,1%. Если выплавляется в электропечах, то S до 0,05%.
33. Чугуны. Классификация чугунов по структуре. Марки чугунов по ГОСТ.

2,14-3,7% С. свойства чугуна зависят от структуры и от формы C, находящейся в структуре. Чугуны: Fe3C – белые чугуны (на изломе светлые), C – чугуны с графитом. Графитизация Fe3C→Fe+Cграфит. В зависимости от формы графита: серые – пластинчатый графит СЧ25 (предел прочности 25 кгс/мм2), СЧ30, СЧ35, СЧ35, СЧ40, СЧ45; ковкие – хлопьевидный графит, ферритные: КЧ30-6, КЧ35-10 (предел прочности 35 кгс/мм2, относительное удлинение 10%, твёрдость 149 HB, на ферритовой основе), КЧ37-12, феррито-перлитные: КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ60-3, КЧ63-2; высокопрочные – шаровидный графит ВЧ45-5, ВЧ50-2, ВЧ60-2 (предел прочности 60 кгс/мм2, предел текучести 40 кгс/мм2, относительное удлинение 2%, твёрдость 200-280 HB, ВЧ70-2.
34. Белые чугуны: состав, свойства, область применения.

Углерод находится в виде цементита Fe3C. Излом будет белый, если сломать. В структуре доэвтектического чугуна HB 550 наряду с перлитом и вторичным цементитом присутствует хрупкая эвтектика (ледебурит), количество которой достигает 100% в эвтектическом чугуне. Структура заэвтектического чугуна состоит из эвтектики (Лп) и первичного цементита, выделяющегося при кристаллизации из жидкости в виде крупных пластин. Высокая твёрдость, трудно обрабатывается резанием. Гл. свойство: высокая износостойкость. Чугун хрупкий. Редко применяется в машиностроении. Используется при изготовлении жерновов на мельнице, прокатные валки на прокатных станках, изгороди делают из этого чугуна. Если отливка небольшая (до 10 кг), то образуется белый чугун при быстром охлаждении.
35. Отбелённые чугуны.

Отбелённый чугун имеет в сердцевине структуру серого или высокопрочного чугуна, а в поверхностном слое повышенной твёрдости (HB450-550) – ледебурит и перлит. Это создаёт высокую износостойкость, но резко ухудшает обрабатываемость резанием. Отбелённый чугун используют в ограниченных пределах для деталей простой формы, получающих чистую поверхность при литье, выполняемом отливкой в металлические кокили, т.е. в условиях ускоренного охлаждения поверхностных слоёв.
36. Чугуны с графитом. Классификация. Области применения.

В зависимости от формы графитовых включений: серый на ферритной, феррито-перлитной и ферритной основах – пластинчатый графит, ковкий на ферритной, феррито-перлитной и ферритной основах – хлопьевидный графит, высокопрочный – шаровидный графит. Лучшие литейные свойства по сравнению со сталью. Более низкая температура плавления и окончание кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают не только удобство в работе, но и лучшие жидкотекучесть и заполняемость формы. Описанные преимущества чугуна делают его ценным конструкционным материалом, широко применяемым в деталях машин, когда детали не испытывают значительных растягивающих и ударных нагрузок.
37. Серые чугуны: применение в промышленности.

Название чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. Структуры: П (0,8% C) +Гр, П + Ф (меньше 0,8% C)+Гр, Ф +Гр (весь углерод, имеющийся в сплаве, присутствует в форме графита). Графит пластинчатой формы. Графитовые включения можно считать в первом приближении просто пустотами, трещинами. Чем больше в чугуне графита, тем ниже его механические свойства, чем грубее включения графита, тем больше они разобщают металлическую основу, тем хуже свойства чугуна. При растягивающих нагрузках облегчается образование очагов разрушения по концам графитных включений. Ценный конструкционный материал, широко применяемый в деталях машин, главным образом тогда, когда они не испытывают значительных растягивающих и ударных нагрузок.
38. Высокопрочный чугун.

Включения в виде шаровидного графита. У него более высокая прочность. Маркировка: ВЧ 45-12 (макс. Ф), ВЧ 60-5 (макс. П), 45 и 60 – предел прочности, 12 и 5 – относительное удлинение (до 15). Эти чугуны пластичные. Это литейный сплав. Чугун прочнее стали. Магний (Mg) добавляется в эти чугуны в расплавленном виде, часто Mg возгорается и получение сопровождается взрывами. Mg вводится для образования шариков. Шарики более компактны, концентраторов напряжения мало.
39. Ковкий чугун. Способы получения. Структура и свойства.

Включения графита в виде хлопьев. Получается такой чугун в две стадии: получение белого чугуна (отливка до 10 кг), графитизирующий отжиг (томление). Углерода в ковком чугуне 2,4-2,8%. Графитизированный ковкий чугун плавят в электропечах. Получили ферритовый ковкий чугун, более пластичный. На П+Ф-основе. Если закончился процесс графитизации при 725°, по получаем перлитный ковкий чугун (более прочный).
40. Сплавы на основе меди. Латуни. Структура и свойства.

Медь: tплавления = 1084°C, низкий коэффициент трения, высокая электропроводность, высокая теплопроводность, высокая устойчивость против коррозии, низкая прочность σВ ≈ 25 кгс/мм2, пластичность высокая δ = 40%. Сплавы меди. Создание сплавов приводит к повышению прочности, улучшению коррозионной прочности и снижению температуры плавления. Zn явл. легирующим компонентом. Сплавы Cu с Zn – латуни. Бронзы – сплавы с др. компонентами. Al + Cu – алюминиевые бронзы, Be + Cu – бериллиевые, Sn + Cu, … Особенности влияния компонентов на структуру.

<img width=«79» height=«47» src=«ref-1_112296004-1617.coolpic» v:shapes="_x0000_i1038"> л.к. – легирующий компонент, х.с. – хим. соединение. Если полиморфные превращения, значит перекристаллизация. I Сплавы – твёрдые растворы (однофазные сплавы, высокая прочность + высокая пластичность), II Механические смеси (α + х.с. – двухфазные: более высокая прочность), III Хим. соединения (хрупкие) – редко исп. В промышленности.
    продолжение
--PAGE_BREAK--