Материаловедение(технология конструкционных материалов)

Стали: классификация автоматные стали. Углеродистые и легированные конструкционные стали; назначение термическая обработка свойства. Стали устойчивые против коррозии жаропрочные стали и сплавы. Инструментальные материалы: инструментальные и быстрорежущие стали твердые сплавы и режущая керамика сверхтвердые материалы материалы абразивных инструментов.

2014-08-04

2.61 MB

196 чел.


Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск


ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ

ТеХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИтет

К а ф е д р а    материаловедения и технологии материалов и покрытий

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

технология конструкционных материалов

Учебно-методический комплекс

Специальности:

энергетический институт

140101.65 - тепловые электрические станции

140104.65 - промышленная теплоэнергетика

140211.65 - электроснабжение

140601.65 - электромеханика

140602.65 - электрические и электронные аппараты

Машиностроительно-технологический институт

151001.65 - технология машиностроения

150202.65 - оборудование и технология сварочного производства

240301.65 - химическая технология неорганических веществ

240401.65 - химическая технология органических веществ  

Институт организации перевозок и транспортных средств

190205.65 - подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование

190601.65 - автомобили и автомобильное хозяйство

190701.65 - организация перевозок и управление на автомобильном транспорте

Институт приборостроения и систем обеспечения безопасности

200101.65 - приборостроение

200402.65 - инженерное дело в медико-биологической практике

280202.65 - инженерная защита окружающей среды

Институт управления производственными и инновационными

программами

080502.65 - экономика и управление на предприятии

Институт радиоэлектроники

200501.65 - метрология и метрологическое обеспечение

Институт системного анализа, автоматики и управления

220301.65 - автоматизация технологических процессов и производств

Направления подготовки бакалавра и магистра:  080500.62, 140100.62, 140200.62, 140600.62, 151000.62,  200100.62, 200500.62, 220100.62, 280200.62, 200100.68, 220100.68

Санкт-Петербург

Издательство СЗТУ

2008

 

Утверждено редакционно-издательским советом университета

УДК 669.017(07)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (технология конструкционных материалов): Учебно-методический комплекс / сост. Е.В. Шадричев, А.В. Сивенков,          Т.П. Горшкова - СПб.: Изд-во СЗТУ, 2008.- 309 с.

Учебно-методический комплекс разработан в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования.

В методическом комплексе приведены рабочая программа, тематический план дисциплины, структурно-логическая схема и временной график изучения дисциплины, тематический план лекций, перечень лабораторных работ, рекомендуемая литература, опорный конспект лекций по основным темам дисциплины, задание на контрольную работу и методические указания к ее выполнению, а также вопросы для самопроверки, тесты и глоссарий. Большая часть рабочей программы и соответственно контрольных заданий посвящена металлическим сплавам – основным конструкционным и инструментальным материалам промышленности. Кроме того рассматриваются пластмассы – наиболее распространенные неметаллические материалы машино- и приборостроения.

УМК предназначен для студентов специальности 140211.65, 140101.65, 140104.65, 140601.65, 140602.65, 151001.65, 150202.65, 220301.65, 240401.65, 240301.65, 280202.65, 080502.65, 190601.65, 190205.65, 190701.65, 200101.65, 200501.65, 200402.65, изучающих дисциплины «Материаловедение», «Материаловедение.Технология конструкционных материалов»

Рассмотрено и утверждено кафедрой материаловедения, технологии материалов и покрытий 5 июня 2007 г., одобрено методической комиссией Машиностроительно-технологиеского института 21 июня  2007 г.

Рецензенты:

кафедра материаловедения, технологии материалов и покрытий МТИ СЗТУ (зав. кафедрой Е.И. Пряхин, д-р техн. наук, проф.);

А.Н. Ефимов, канд. техн. наук, доц. кафедры «Технологии конструкционных материалов и производства ракетно-космической техники» Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.

Составители:  Е.В. Шадричев, канд. физ-мат. наук, доц.;

А.В. Сивенков, доц.;

Т.П. Горшкова, канд. техн. наук, доц.

© Северо-западный государственный заочный технический университет, 2008

© Шадричев Е.В., Сивенков А.В., Горшкова Т.П., 2008

 

1. Информация о дисциплине

1.1.  ПРЕДИСЛОВИЕ

Материаловедение – наука, изучающая связь между химическим составом, структурой и свойствами материалов и закономерности изменения этих свойств под влиянием внешних воздействий, реализуемых в процессе производства, упрочняющей обработки и эксплуатации изделий из этих материалов.

Материаловедение – прикладная наука, ее фундаментом являются разделы физики и химии, посвященные атомной структуре химических элементов, строению и свойствам реальных кристаллов, природе кристаллических фаз, закономерностям процессов кристаллизации и фазовых превращений в твердых телах.

Объектом изучения дисциплины «Материаловедение» являются главным образом конструкционные и инструментальные материалы. Обычно курс материаловедения делится на две части: «Металловедение и термическая обработка металлов» и «Неметаллические материалы». В данном УМК дана более подробная рубрикация, в основном это касается части, посвященной металлическим сплавам (см. «Структурную схему дисциплины» - стр. 31). Это наиболее распространенные промышленные материалы, они достаточно хорошо изучены и традиционно занимают большую часть курса «Материаловедение».

Хотя материаловедение изучается студентами большинства специальностей политехнических вузов на 2 курсе как общеинженерная дисциплина, она закладывает основы профессиональных знаний и умений, позволяющих решать производственные конструкторские и технологические задачи, связанные с оптимизацией выбора материалов и технологий изготовления и упрочнения изделий различного назначения.

Очевидно, что роль дисциплины «Материаловедение» в подготовке инженеров различных специальностей может заметно отличаться. Наибольшее значение она имеет для студентов машино - и приборостроительных (15104.65, 150202.65, 190205.65, 200101.65, 190601.65) и родственных им (140101.65, 140104.65, 140601.65, 140602.65, 220301.65, 280202.65) специальностей.

Однако любой выпускник технического вуза независимо от специальности должен иметь базовые представления о строении и свойствах основных промышленных материалов и методах целенаправленного изменения этих  свойств.

Итак, на основании изложенного выше очевидно, что задачей изучения дисциплины «Материаловедение» является овладение знаниями:     

  •  закономерностей, связывающих химический состав, структуру и            свойства материалов;
  •  методов целенаправленного  изменения их свойств;
  •  химического состава, свойств и областей применения основных             промышленных материалов, а также способов и режимов их упрочнения.

Цель изучения дисциплины – материаловедческая подготовка инженера, способного производить оптимальный выбор материалов и технологий изготовления и упрочняющей обработки изделий различного назначения.

В результате освоения дисциплины студент должен:

Знать:

  •  закономерности и практические способы воздействия на  механические свойства  металлических сплавов путем изменения их химического состава и структуры;
  •  классификацию, маркировку, механические свойства, режимы упрочняющей термической обработки и области применения сталей - основных материалов промышленности;
  •  характерные особенности строения и свойств полимерных материалов.

Иметь представление о:

  •  методах определения механических свойств материалов;
    •  закономерностях процесса кристаллизации;
    •  принципах анализа диаграмм состояния двойных сплавов и практическом использовании диаграмм состояния;
    •  влиянии химического состава и структуры сплавов на их технологические свойства;
    •  влиянии пластической деформации и последующего нагрева на структуру и свойства металлов;
    •  химико-термической  обработке  и  других    методах   поверхностного           упрочнения металлических изделий;
    •  свойствах и областях применения сталей и сплавов с особыми свойствами и основных групп цветных сплавов;
    •  дефектах стальных изделий и путях их предотвращения;
    •  строении, свойствах и областях применения неметаллических материалов (пластмасс, стекла, керамики) и композитов на различной основе;
    •  основных направлениях рационального выбора материалов для изделий различного назначения.

Уметь:

  •  пользоваться   оптическим   микроскопом  для  изучения   структуры      материалов;
    •  производить закалку и отпуск сталей различных марок;
    •  измерять твердость для контроля результатов термической обработки;
    •  работать с учебной, а  при  необходимости – научной  и  справочной            литературой по материаловедению;
    •  выбирать материалы, способы и режимы упрочняющей обработки для           изделий различного назначения. 

Место дисциплины в учебном процессе:

Для освоения курса «Материаловедение» кроме соответствующих разделов физики и химии (отмеченных в начале предисловия) желательно знание основ таких дисциплин» как «Сопротивление материалов», «Детали машин», «теория машин и механизмов»1.

В свою очередь знания и умения, приобретенные при изучении курса материаловедения, будут использованы в процессе освоения последующих дисциплин – «Технология конструкционных материалов», «Прикладная механика» и других дисциплин, связанных с конструированием, технологией производства, эксплуатацией и ремонтом машин, приборов, оборудования различного назначения, а также в курсовых и дипломных работах.
1.2.
Содержание дисциплины и виды учебной работы

1.2.1. Содержание дисциплины по ГОС

Специальность

Содержание стандартов

Часы

140101.65 140104.65

Материаловедение. Технология конструкционных материалов.

Ч.1. Материаловедение: номенклатура технических материалов в теплоэнергетике, их структура и основные свойства;  атомно-кристаллическое строение металлов; фазово-структурный состав сплавов; типовые  диаграммы состояния; железо  и сплавы на его основе; деформация, термическая обработка металлических  материалов; новые металлические материалы; неметаллические материалы; композиционные и керамические материалы.

70

140211.65

Материаловедение. Технология конструкционных материалов.

Ч.1. Основы материаловедения: типы твердых тел, их свойства; атомно-кристаллическое строение, фазово-структурный состав сплавов; типовые диаграммы состояния; деформация, термическая обработка, наклеп, рекристаллизация; металлические материалы; новые металлические и неметаллические материалы.

90

140601.65  140602.65

Материаловедение. Технология конструкционных материалов.

Основы конструкционного и электротехнического материаловедения: агрегатные состояния, дефекты строения и их влияние на свойства материалов; термическая обработка; конструкционные материалы, металлы и сплавы; обработка деталей электротехнического оборудования; проводниковые, полупроводниковые, диэлектрические и магнитные электротехнические материалы; природные, искусственные и синтетические материалы, классификации материалов по агрегатному состоянию, химическому составу, функциональному назначению; связь химического состава материалов с их свойствами, зависимость свойств от внешних условий; технологии получения и применения электротехнических материалов, как компонентов электроэнергетического, электротехнического и радиоэлектронного оборудования; связь параметров, характеризующих свойства электротехнических материалов, с параметрами электроэнергетического, электротехнического и радиоэлектронного оборудования.

80

150202.65

Материаловедение. Технология конструкционных материалов.

Ч.1. Материаловедение: строение материалов. Кристаллизация и структура металлов и сплавов. Диффузионные и бездиффузионные превращения. Классификация сплавов. Диаграммы состояния сплавов. Деформация и разрушение. Механические свойства материалов. Способы упрочнения металлов и сплавов. Железо и его сплавы. Диаграмма железо-цементит. Стали: классификация, автоматные стали. Чугуны: белые, серые, высокопрочные, ковкие. Влияние легирующих элементов на превращения, структуру, свойства сталей. Теория термической обработки. Диаграмма изотермического превращения аустенита. Виды и разновидности термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, нормализация. Поверхностная закалка; химико-термическая обработка: цементация, азотирование, нитроцементация, ионное азотирование. Углеродистые и легированные конструкционные стали; назначение, термическая обработка, свойства. Стали, устойчивые против коррозии, жаропрочные стали и сплавы. Инструментальные материалы: инструментальные и быстрорежущие стали, твердые сплавы и режущая керамика, сверхтвердые материалы, материалы абразивных инструментов. Цветные металлы и сплавы, их свойства и назначение; медные, алюминиевые, титановые и цинковые сплавы. Неметаллические материалы. Полимеры; строение, полимеризация и поликонденсация, свойства. Пластмассы: термопластичные, термореактивные, газонаполненные, эластомеры, резины, клеи, герметики. Стекло: неорганическое и органическое, ситаллы, металлические стекла. Полиморфные модификации углерода и нитрида бора. Композиционные материалы

120

151001.65

Материаловедение. Технология конструкционных материалов.

Ч.1. Материаловедение: Строение материалов. Кристаллизация и структура металлов и сплавов. Диффузионные и бездиффузионные превращения. Классификация сплавов. Диаграммы состояния сплавов. Деформация и разрушение. Механические свойства материалов. Способы упрочнения металлов и сплавов. Железо и его сплавы.

Диаграмма железо-цементит. Стали: классификация, автоматные стали. Чугуны: белые, серые, высокопрочные, ковкие. Влияние легирующих элементов на превращения, структуру, свойства сталей. Теория термической обработки. Диаграмма изотермического превращения аустенита. Виды и разновидности термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, нормализация. Поверхностная закалка; химико-термическая обработка: цементация, азотирование, нитроцементация, ионное азотирование. Углеродистые и легированные конструкционные стали; назначение, термическая обработка, свойства. Стали, устойчивые против коррозии, жаропрочные стали и сплавы. Инструментальные материалы: инструментальные и быстрорежущие стали, твердые сплавы и режущая керамика, сверхтвердые материалы, материалы абразивных инструментов. Цветные металлы и сплавы, их свойства и назначение; медные, алюминиевые, титановые и цинковые сплавы. Неметаллические материалы. Полимеры; строение, полимеризация и поликонденсация, свойства. Пластмассы: термопластичные, термореактивные, газонаполненные, эластомеры, резины, клеи, герметики. Стекло: неорганическое и органическое, ситаллы, металлические стекла. Полиморфные модификации углерода и нитрида бора. Композиционные материалы.

120

190205.65

Материаловедение. Технология конструкционных материалов.

Ч.1. Материаловедение: строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов; конструкционные металлы и сплавы; теория и технология термической обработки стали; химико-термическая обработка, жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы; электротехнические материалы, резина, пластмассы.

80

190601.65

Материаловедение. Технология конструкционных материалов.

Ч.1. Материаловедение: строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов. Стали и чугуны. Конструкционные металлы и сплавы. Сплавы атомной энергетики. Цветные металлы и сплавы. Теория и технология термической обработки стали. Химико-термическая обработка. Жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы. Неметаллические материалы. Электротехнические материалы, резина, пластмассы. Поведение материалов в эксплуатации.

70

190701.65

Материаловедение. Технология конструкционных материалов.

Ч.1. Материаловедение: строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла,  механические свойства металлов и сплавов; конструкционные металлы и сплавы; теория и технология термической обработки стали; пластмассы.

70

200101.65

Материаловедение и технология конструкционных материалов.

Материаловедение: строение металлов и сплавов, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов, конструкционные материалы, термическая и химико-термическая обработка металлов, конструкционные пластики, композиты, электротехнические материалы; технология конструкционных материалов: получение заготовок литьем и пластическим деформированием, пайка и склеивание материалов, формообразование поверхностей деталей резанием, электрофизическими и электрохимическими способами обработки, обработка поверхностей деталей абразивным инструментом, точность обработки и шероховатость поверхности деталей, типовое технологическое оборудование и инструменты.

100

200402.65

Материаловедение. Технология конструкционных материалов.

Ч.1. Материаловедение: строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов; конструкционные металлы и сплавы; теория и технология термической обработки стали; химико-термическая обработка; жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы; материалы для биологических применений; основные физико-химические свойства конструкционных материалов для  применений в биологии и медицине; материалы для искусственных сосудов, клапанов сердца, суставных и других протезов; проблема совместимости биологических и технических материалов; методика работы со справочной литературой по материаловедению.

110

200501.65

Материаловедение. Технология конструкционных материалов.

Строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов. Конструкционные металлы и сплавы. Теория и технология термической обработки стали. Химико-термическая обработка. Жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы. Основы технологии конструкционных материалов.

68

220301.65

Материаловедение.

Строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов. Конструкционные металлы и сплавы. Теория и технология термической обработки стали. Химико-термическая обработка. Жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы. Материалы, применяемые в различных отраслях промышленности. Электротехнические материалы, резина, пластмассы, композиционные материалы и др. Основы производства материалов. Формообразование заготовок. Производство заготовок различными способами. Сварка, пайка, склеивание материалов. Получение композиционных материалов. Изготовление изделий из композиционных материалов: металлических, порошковых, эвтектических, полимерных. Изготовление резиновых полуфабрикатов и деталей. Формирование поверхностей деталей резанием, электрофизическими и электрохимическими способами обработки. Выбор способа обработки.

120

240301.65

Материаловедение. Технология конструкционных материалов.

Материаловедение: строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов; конструкционные металлы и сплавы; теория и технология термической обработки стали; химико-термическая обработка; жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы; явление коррозии, коррозионные потери, классификация коррозионных процессов, химическая и электрохимическая коррозия, методы защиты от коррозии; электротехнические материалы, резина, пластмассы.

70

240401.65

Материаловедение. Технология конструкционных материалов.

Строение металлов, диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов; конструкционные металлы и сплавы; теория и технология термической обработки стали; химико-термическая обработка; жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы; явление коррозии, коррозионные потери, классификация коррозионных процессов, химическая и электрохимическая коррозия, методы защиты от коррозии; электротехнические материалы, резина, пластмассы.

70

280202.65

Материаловедение. Технология конструкционных материалов.

Строение металлов; диффузионные процессы в металле, формирование структуры металлов и сплавов при кристаллизации, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов; конструкционные металлы и сплавы; теория и технология термической обработки стали; химико-термическая обработка; жаропрочные, износостойкие, инструментальные и штамповочные сплавы.

85

 

1.2.2. Объем дисциплины и виды учебной работы

Код  и название дисциплины

Шифр дисциплины

Специальности

Форма обучения

Вид учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины

Работа под руководством преподавателя

В т.ч.

аудиторные занятия:

Самостоятельная работа студента

Промежуточный контроль, количество

Контрольная работа (реферат)

Вид итогового контроля

(зачет, экзамен)

Лекции

Лабораторные работы (ЛР)

814 Материаловедение и ТКМ

ОПД.Ф.03

220301.65

очная

70

42

18

16

1

-

Экз

812 Материаловедение. ТКМ ч1

ОПД.Ф.02

140104.65

140101.65

очно-заочная

12

8

28

1

1

Зач

1416 Материаловедение

ОПД.Ф.03

190701.65

10

8

1

1

ОПД.Ф.03.01

190601.65

819 Материаловедение. ТКМ

ОПД.Ф.06

240301.65

ОПД.Ф.11

240401.65

ОПД.Ф.03

200501.65

заочная

4

4

1

1

1638 Материаловедение

220100.62

очная

24

8

-

заочная

8

4

-

1413 Материаловедение

ОПД.Ф.03.01

190205.65

очно-заочная

80

48

12

8

32

1

1

Экз

810 Материаловедение (ТКМ)

ОПД.Ф.02

140601.65 140602.65

заочная

2

Зач

1641 Материаловедение и ТКМ

ОПД.Ф.10

280202.65

очно-заочная

85

51

12

8

34

1

1

Экз

заочная

8

4

998 Основы материаловедения

ОПД.Ф.02

140211.65

очно-заочная

90

54

10

12

36

1

1

Зач

заочная

4

8

814 Материаловедение и ТКМ

ОПД.Ф.03

200101.65

очная

90

54

24

20

36

1

-

Экз

очно-заочная

100

60

10

16

40

1

заочная

4

8

808 Материаловедение

ОПД.Ф.02

080502.65

очно-заочная

100

60

14

12

40

1

1

Экз

заочная

8

4

ОПД.Ф.03

200402.65

очно-заочная

110

66

12

16

44

1

1

Экз

814 Материаловедение и ТКМ

ОПД.Ф.03

220301.65

очно-заочная

120

72

14

16

48

1

1

экз

808 Материаловедение

ОПД.Ф.03.01

151001.65

заочная

2

12

809 Материаловедение

ОПД.Ф.03.01

150202.65

очно-заочная

14

16

заочная

6

8


2. Рабочие учебные материалы

2.1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

(Объем дисциплины 120 часов)

ВВЕДЕНИЕ (2 часа)

[1], с. 3...6, или [2], с. 4...5; [3], с. 13...20; [4], с. 9...32

Содержание и задачи курса. Его место в подготовке инженеров, специализирующихся в области конструирования, производства и эксплуатации машин, приборов, механизмов и оборудования различного назначения. Роль материалов в современной технике. Краткий исторический очерк развития материаловедения.

2.1.1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ (4 часа)

[1], с. 7...24, или [2], с. 7...67; [3], с. 20...40; [4], с. 9...32

Характер межатомной связи в металлах. Свойства металлов, определяемые металлическим типом связи. Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток. Анизотропия свойств металлов. Основные несовершенства кристаллического строения и их влияние на свойства металлов. Прочность идеальных (бездефектных) и реальных кристаллических тел. Пути повышения прочности металлов.

2.1.2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ (4 часа)

[1], с. 24...36 или [2], с. 68...86; [3], с. 40...47; [4], с. 38...53

Особенности жидкого состояния металлов. Энергетические условия и механизм процесса кристаллизации. Закономерности образования и роста кристаллов. Зависимость скорости кристаллизации от степени переохлаждения расплава. Аморфные металлы (металлические стекла). Влияние скорости охлаждения при кристаллизации на величину зерна в затвердевшем металле. Роль примесей. Сущность процесса модифицирования. Строение слитка.

Превращения в твердом состоянии. Аллотропия (полиморфизм). Полиморфные превращения в железе.

2.1.3. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ

ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И  РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ (4 часа)

[1], с. 68...73, или [2], с. 122...140; [3], с. 60...68; [4], с. 35...62, 76...87

Упругая и пластическая деформации. Дислокационный механизм пластической деформации металлов.

Влияние пластической деформации на строение металла. Изменение механических и физических свойств металла в результате пластической деформации. Явление наклепа.

Изменение структуры и физико-механических свойств наклепанного металла при нагреве. Явления возврата и рекристаллизации. Порог рекристаллизации и влияние на него различных факторов. Холодная и горячая пластическая деформация металлов.

2.1.4. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ, ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

(8 часов)

[1], с. 37...65, или [2], с. 87...99, 47...54; [3], с. 168...190; [4], с. 88...140

Понятия о системе, компоненте, фазе. Механические смеси. Химические соединения в сплавах. Твердые растворы и их разновидности.

Диаграммы состояния и их практическое значение. Правило фаз. Методы построения диаграмм состояния. Диаграммы состояния двойных сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов. Эвтектическое превращение. Правило отрезков. Диаграммы состояния двойных сплавов для случаев полной взаимной растворимости и ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Перитектическое превращение. Неравновесная кристаллизация. Ликвация в сплавах и ее разновидности.

Диаграммы состояния сплавов, образующих химические соединения, и сплавов, испытывающих полиморфные превращения. Определение с помощью диаграмм состояния температур плавления и затвердевания сплавов, химического состава фаз, относительного количества фаз и структурных составляющих. Связь между характером диаграмм состояния и свойствами сплавов (закон Курнакова).

2.1.5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КОНСТРУКЦИОННАЯ

ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ (4 часа)

[1], с. 75...80, 87...117, или [2], с. 47...60, 222...236; [3], с. 69...143;

[4], с. 70...75

Понятие конструкционной прочности материалов. Характеристики, определяющие конструкционную прочность - прочность, надежность и долговечность. Основные критерии оценки прочности, надежности и долговечности материалов. Пути повышения конструкционной прочности металлических изделий.

2.1.6. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ (10 часов)

[1], с. 118...134, 144...155, или [2], с. 99...110, 237...302;

[3], с. 194...210, 224...233; [4], с. 142…198

Свойства железа, углерода и цементита. Основные фазы, присутствующие в железоуглеродистых сплавах в равновесном состоянии. Аустенит, феррит, цементит, графит. Диаграмма состояния железо - цементит. Превращения в железоуглеродистых сплавах различного состава при медленном охлаждении. Структурные составляющие в железоуглеродистых сплавах. Классификация железоуглеродистых сплавов. Техническое железо. Сталь. Белый чугун.

Углеродистые стали. Возможные примеси в сталях и их влияние на свойства. Зависимость свойств сталей от содержания углерода. Классификация и маркировка углеродистых сталей по ГОСТ. Углеродистые стали обыкновенного качества и качественные. Автоматные стали.

Чугуны. Условия образования метастабильной системы (железо -цементит) и стабильной системы (железо - графит). Влияние скорости охлаждения и примесей на процесс графитизации. Классификация чугунов по форме графита и строению металлической основы. Серые чугуны. Модифицирование чугунов. Высокопрочный чугун, его структура и свойства. Ковкий чугун, его структура и условия получения. Маркировка чугунов по ГОСТ.

Применение углеродистых сталей и чугунов в машино- и приборостроении.

2.1.7. ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ (10 часов)

[1], с. 156...190, или [2], с. 142...174; [3], с. 236...260; [4], с. 199...255

Сущность, назначение и основные виды термической обработки стали.

Превращения в стали при нагреве. Образование аустенита. Рост аустенитного зерна. Влияние величины зерна на свойства стали.

Превращения в стали при охлаждении. Кинетика превращения переохлажденного аустенита. Диаграмма изотермического превращения аустенита      (С-образная диаграмма). Структура и свойства продуктов превращения аустенита: перлита, сорбита, троостита, бейнита.

Мартенситное превращение аустенита и его особенности. Критическая скорость закалки. Структура и свойства мартенсита.

Остаточный аустенит, причины его сохранения при закалке.

Превращения в закаленной стали при отпуске. Изменение структуры и свойств закаленной стали в процессе отпуска. Отличие структур, образуемых в результате отпуска закаленной стали, от аналогичных структур, образуемых при закалке.

Термомеханическая обработка стали и ее разновидности. Структурные изменения, совершающиеся в стали при термомеханической обработке.

      2.1.8. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ (6 часов)

[1], с. 191...227, или [2], с. 174...195; [3], с. 260...278; [4], с. 256...283

Основные виды термической обработки стали - отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Отжиг стали. Полный и неполный отжиг. Изотермический отжиг. Диффузионный отжиг (гомогенизация). Отжиг на зернистый перлит (сфероидизация). Рекристаллизационный отжиг. Нормализация. Структура и свойства стали после отжига и нормализации.

Закалка стали. Выбор температуры нагрева. Условия нагрева изделий при термической обработке. Охлаждающие среды при закалке. Прокаливаемость и ее влияние на свойства закаленной стали. Факторы, влияющие на прокаливаемость. Дефекты закаленной стали и меры их предупреждения. Виды закалки (обычная, прерывистая, ступенчатая, изотермическая) и их особенности. Методы поверхностной закалки: закалка с индукционным и газопламенным нагревом и с использованием высококонцентрированных источников энергии (закалка с лазерным и электронно-лучевым нагревом).

Отпуск закаленной стали. Виды отпуска: низкий, средний, высокий. Структура и свойства стали после различных видов отпуска. Примеры применения упрочняющей термической обработки стальных изделий в различных отраслях машиностроения.

2.1.9. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ (6 часов)

[1], с. 228...249, или [2], с. 196...220; [3], с. 278...284; [4], с. 284...302

Физические основы химико-термической обработки.

Цементация, ее назначение и способы осуществления. Структура стали после цементации. Термическая обработка цементованных изделий.

Азотирование, его назначение и способы осуществления. Стали для азотирования. Цианирование стали, его назначение и способы осуществления. Борирование и диффузионное насыщение стали металлами.

Современные методы получения твердых износостойких покрытий. Химическое осаждение покрытий из газовой фазы. Плазменное и вакуумное ионно-плазменное нанесение покрытий.

2.1.10. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СВОЙСТВА СТАЛИ И НА ПРОЦЕССЫ ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ (6 часов)

[1], с. 134...143, 259...312 или [2], с. 110...117, 250...282;

[3], с. 210...224; [4], с. 307...322

Цели легирования стали. Наиболее распространенные легирующие элементы. Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения в железе и свойства феррита. Взаимодействие легирующих элементов с углеродом. Влияние легирующих элементов на превращение переохлажденного аустенита и прокаливаемость стали, на мартенситное превращение и количество остаточного аустенита, на склонность стали к росту зерна и процессы отпуска закаленной стали. Технологические особенности термической обработки легированной стали.

Классификация легированных сталей по структуре, составу, назначению. Маркировка легированных сталей по ГОСТ.

2.1.11. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ (6 часов)

[1], с. 252...290 или [2], с. 222...282; [3], с. 303...320; [4], с. 322...354

Требования к конструкционным сталям. Преимущества легированной конструкционной стали перед нелегированной. Роль легирующих элементов. Отпускная хрупкость конструкционных сталей и способы ее предотвращения. Свариваемость стали. Строительные стали.

Цементуемые, улучшаемые и высокопрочные конструкционные стали; их назначение, свойства, составы, режимы термической обработки. Примеры конструкционных сталей каждого типа.

Пружинные стали; шарикоподшипниковые стали; их свойства, режимы термической обработки.

Выбор марки конструкционной стали в зависимости от назначения изделий, их размеров и условий нагружения.


2.1.12. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ И

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ (6 часов)

[1], с. 349...366 или [2], с. 608...629; [3], с. 320...336; [4], с. 355...382

Классификация инструментальных сталей по назначению. Стали для режущего и измерительного инструмента, их термическая обработка. Назначение отдельных легирующих элементов. Быстрорежущие стали, их состав, структура и свойства. Природа их красностойкости. Термическая обработка быстрорежущих сталей.

Стали для штампов холодной и горячей штамповки. Требования, предъявляемые к ним, и режимы термической обработки. Назначение легирующих элементов. Выбор сталей для штампов различного назначения, размеров и условий работы.

Литые и металлокерамические твердые сплавы, их свойства, назначение и способы изготовления. Наиболее распространенные марки литых и металлокерамических твердых сплавов.

2.1.13. СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ (8 часов)

[1], с. 290...312, 367...376 или [2], с. 326...348, 470...607;

[3], с. 336...447; [4], с. 382...434, 453...477

Окалиностойкие и жаропрочные стали и сплавы. Особенности поведения материалов при повышенных температурах. Окалиностойкость и ее природа. Примеры окалиностойких сталей. Характеристики жаропрочности (пределы ползучести и длительной прочности). Классификация, состав, термическая обработка и температурные пределы применения жаропрочных сталей и сплавов.

Нержавеющие стали и их классификация. Природа коррозионной стойкости нержавеющих сталей, области их применения, термическая обработка. Примеры марок сталей каждого класса. Межкристаллитная коррозия нержавеющих сталей и способы ее предотвращения.

Износостойкие стали, их состав, термическая обработка, свойства и области применения. Природа повышенной износостойкости.

Сплавы с особенностями теплового расширения, их состав, свойства и наиболее распространенные марки.

Магнитные стали и сплавы, их классификация. Магнитомягкие и магнитотвердые стали и сплавы. Требования, предъявляемые к ним. Выбор магнитомягких и магнитотвердых материалов для изделий различного назначения. Немагнитные стали и чугуны.

Сплавы с особенностями электрического сопротивления. Проводниковые материалы, реостатные сплавы, сплавы для нагревательных элементов, их состав, свойства и наиболее распространенные марки.

2.1.14. ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ (4 часа)

[1], с. 378...384 или [2], с. 406...426; [3], с. 490...503; [4], с. 434...442

Свойства титана. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства титана. Классификация титановых сплавов, их важнейшие преимущества, маркировка, способы термической обработки, области применения. Коррозионная стойкость титана.

2.1.15. СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И МАГНИЯ (6 часов)

[1], с. 384...406 или [2], с. 357...382; [3], с. 476...490; [4], с. 479...508

Свойства и применение алюминия. Основы теории термической обработки алюминиевых сплавов. Связь между диаграммами состояния алюминиевых сплавов и их технологическими свойствами. Литейные и деформируемые сплавы. Сплавы, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой.

Дуралюмин и другие деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Их состав, термическая обработка, области применения, маркировка. Наиболее распространенные марки деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой.

Силумин и другие литейные алюминиевые сплавы: требования к ним. Повышение свойств литейных алюминиевых сплавов путем модифицирования.

Жаропрочные алюминиевые сплавы. Спеченные алюминиевые сплавы (САС, САП).

Применение алюминиевых сплавов в машино- и приборостроении. Важнейшие сплавы на основе магния, их маркировка, состав, свойства и области применения.

2.1.16. СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ МЕДИ (4 часа)

[1], с. 406...417 или [2], с. 302...318; [3], с. 503...520; [4], с. 509...523

Свойства и применение технической меди. Сплавы на основе меди. Латуни; изменение их структуры и механических свойств в зависимости от содержания цинка. Классификация латуней по составу, структуре и технологическим свойствам. Маркировка латуней. Свойства и применение латуней различных марок.

Влияние содержания олова на структуру и свойства оловянных бронз. Классификация бронз по технологическим свойствам. Состав, свойства и области применения оловянных и безоловянных (алюминиевых, бериллиевых) бронз. Маркировка обрабатываемых давлением и литейных бронз.

2.1.17. ПОДШИПНИКОВЫЕ СПЛАВЫ И ПРИПОИ (4 часа)

[1], с. 418...422 или [2], с. 326...337, 341...347, 377...579;

[3], с. 313...314, 519...520; [4], с. 524...532

Требования к подшипниковым сплавам. Особенности их структуры. Баббиты, их состав, структура, свойства и наиболее распространенные марки. Антифрикционные бронзы и чугуны.

Порошковые (металлокерамические) антифрикционные материалы.

Классификация, состав и применение припоев. Свойства и назначение мягких и твердых припоев.

2.1.18. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (4 часа)

[1], с. 422...427 или [2], с. 434...469; [3], с. 639...654

Виды композиционных материалов, их классификация, строение и свойства, преимущества и недостатки.

Композиционные материалы с металлической матрицей.

2.1.19. ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ (4 часа)

[1], с. 428...431 или [2], с. 555...538, 619...621; [3], с. 455...461

Порошковые материалы, их свойства, преимущества и недостатки, способы получения. Конструкционные, инструментальные и специальные порошковые материалы, области их применения.

2.1.20. ПЛАстмассы (6 часов)

[1], с. 434…481 или [2], с. 39…44, 382…395; [3], с. 566…594

Пластмассы – материалы на основе полимеров. Полимеры: основные понятия; особенности высокомолекулярного строения полимеров. Форма (структура) макромолекул – линейная, лестничная, сетчатая (замкнутая пространственная).

Физические состояния полимеров – стеклообразное, высокоэластичное, вязкотекучее. Термомеханические кривые. Природа высокой эластичности.

Механические свойства полимеров. Типичные диаграммы растяжения термопластичных и термореактивных полимеров в стеклообразном состоянии. Влияние температуры и скорости нагружения на прочность полимеров. Долговечность полимеров. Старение полимеров, пути его сдерживания.

Пластмассы; их состав, роль различных компонентов. Классификация пластмасс. Особенности строения и свойств термо- и реактопластов. Полимерные армированные материалы.

Принципиальные особенности технологии переработки пластмасс в изделия. Применение пластмасс в различных отраслях промышленности.


2.1.21. ОСНОВЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ВЫБОРА  МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДОВ УПРОЧНЕНИЯ  ДЕТАЛЕЙ МАШИН
(4 часа)

[1], с. 313...348 или [2], с. 47...48, 221...236, 273...282, 326...334;

[3], с. 680...693

Факторы, определяющие работоспособность изделий различного назначения. Виды повреждений изделий в зависимости от условий их эксплуатации. Эксплуатационные, технологические и экономические требования к промышленным материалам. Выбор материалов и методов упрочнения изделий в зависимости от основных видов отказов при эксплуатации. Сравнительный анализ экономической эффективности материалов и технологий изготовления изделий из них.

В соответствии с приведенной выше рабочей программой составлены Тематический план (раздел 2.2) и Структурно-логическая схема (раздел 2.3) дисциплины «Материаловедение».


2.2. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ДИСЦИПЛИНЫ

2.2.1. Тематический план дисциплины для

студентов  очной формы обучения

п/п

Наименование

темы

рабочей программы

№ ЛР

151001.65 Кол-во часов по дневной форме обучения

Виды занятий и контроля

Л

ЛР

Самост-я работа

Тесты

КР

аудит./

ДОТ

аудит./

ДОТ

ВСЕГО

120

48/4

24/8

48

1.

Введение

2

1

2.

2.1.1. Строение и свойства металлов

4

2/1

2

3.

2.1.2. Кристаллизация металлов

1

4

2/1

1/-

1

4.

2.1.4. Изменение структуры и свойств

металлов при пластической  деформации

и рекристаллизации

3

4

2/-

2

5.

2.1.4. Металлические сплавы,

диаграммы состояния

2

8

6/-

2/-

6.

2.1.5. Механические свойства и конструкционная прочность металлов и сплавов

4

2/1

2

7.

2.1.6. Железоуглеродистые сплавы

4,5

10

5/-

2/2

3

8.

2.1.7. Теория термической обработки

стали

6

10

2/-

3/2

5

9.

2.1.8. Технология термической обработки стали

6

6

2/-

4

10.

2.1.9. Химико-термическая обработка

стали и другие методы получения износостойких покрытий

6

4/-

2

11.

2.1.10. Влияние легирующих элементов

на свойства стали и на процессы фазовых превращений

7

6

3/-

3/2

12.

2.1.11. Конструкционные стали

11,

12

6

1/-

1/-

4

13.

2.1.12. Инструментальные стали

и твердые сплавы

8

6

1/-

1/-

4

14.

2.1.13. Стали и сплавы с особыми

физико-механическими свойствами

8

1/-

3/-

6

15.

2.1.14. Титан и его сплавы

4

2/-

2

16.

2.1.15. Сплавы на основе алюминия

и магния

9

6

2/-

2/-

2

17.

2.1.16. Сплавы на основе меди

10

4

1/-

1/-

2

18.

2.1.17. Подшипниковые сплавы и припои

11

4

1/-

1/-

2

19.

2.1.18. Композиционные материалы

4

2/-

2

20.

2.1.19. Порошковые материалы

4

2/-

2

21.

2.1.20. Пластмассы

13

6

2/-

2/-

2

22.

2.1.21. Основы рационального выбора

материалов и методов упрочнения

деталей машин

4

2/-

2

2.2.2. Тематический план дисциплины для

студентов очно-заочной формы обучения

п/п

Наименование

темы

рабочей программы

№ ЛР

151001.65 Кол-во часов по дневной форме обучения

Виды занятий и контроля

Л

ЛР

Самост-я работа

Тесты

КР

аудит./

ДОТ

аудит./

ДОТ

ВСЕГО

120

14/26

16/16

48

1

1.

Введение

2

-/1

2.

2.1.1. Строение и свойства металлов

4

-/1

2

3.

2.1.2. Кристаллизация металлов

1

4

-/1

2/2

1

4.

2.1.4. Изменение структуры и свойств металлов при пластической  деформации и рекристаллизации

3

4

1/1

2/2

5.

2.1.4. Металлические сплавы,

диаграммы состояния

2

8

-/3

6.

2.1.5. Механические свойства и конструкционная прочность металлов и сплавов

4

-/1

2

7.

2.1.6. Железоуглеродистые сплавы

4,5

10

1/1

2/2

3

8.

2.1.7. Теория термической обработки

стали

6

10

1/2

2/2

5

9.

2.1.8. Технология термической

обработки стали

6

6

1/2

4

10.

2.1.9. Химико-термическая обработка стали и другие методы получения износостойких покрытий

6

1/2

2

11.

2.1.10. Влияние легирующих элементов на свойства стали и на процессы фазовых превращений

7

6

1/2

2/2

12.

2.1.11. Конструкционные стали

11,

12

6

1/1

2/2

4

13.

2.1.12. Инструментальные стали

и твердые сплавы

8

6

1/1

4

14.

2.1.13. Стали и сплавы с особыми

физико-механическими свойствами

8

1/1

6

15.

2.1.14. Титан и его сплавы

4

1/1

2

16.

2.1.15. Сплавы на основе алюминия

и магния

9

6

1/1

1/1

2

17.

2.1.16. Сплавы на основе меди

10

4

1/1

2

18.

2.1.17. Подшипниковые сплавы и припои

11

4

1/1

2

19.

2.1.18. Композиционные материалы

4

1/1

2

20.

2.1.19. Порошковые материалы

4

-/1

2

21.

2.1.20. Пластмассы

13

6

1/1

1/1

2

22.

2.1.21. Основы рационального выбора

материалов и методов упрочнения

деталей машин

4

1/1

2

2.2.3. Тематический план дисциплины для

студентов заочной формы обучения

п/п

Наименование

темы

рабочей программы

№ ЛР

151001.65 Кол-во часов по дневной форме обучения

Виды занятий и контроля

Л

ЛР

Самост-я работа

Тесты

КР

аудит./

ДОТ

аудит./

ДОТ

ВСЕГО

120

2/42

12/16

48

1

1.

Введение

2

-/2

2.

2.1.1. Строение и свойства металлов

4

-/2

2

3.

2.1.2. Кристаллизация металлов

1

4

-/1

-/2

1

4.

2.1.4. Изменение структуры и свойств

металлов при пластической  деформации

и рекристаллизации

3

4

-/2

2

5.

2.1.4. Металлические сплавы,

диаграммы состояния

2

8

-/6

6.

2.1.5. Механические свойства и конструкционная прочность металлов и сплавов

4

-/2

2

7.

2.1.6. Железоуглеродистые сплавы

4,5

10

1/-

4

3

8.

2.1.7. Теория термической обработки

стали

6

10

1

4

5

9.

2.1.8. Технология термической

обработки стали

6

6

-/4

4

10.

2.1.9. Химико-термическая обработка

стали и другие методы получения

износостойких покрытий

6

-/4

2

11.

2.1.10. Влияние легирующих элементов

на свойства стали и на процессы

фазовых превращений

7

6

-/4

-/2

12.

2.1.11. Конструкционные стали

11,

12

6

-/2

4

13.

2.1.12. Инструментальные стали

и твердые сплавы

8

6

-/2

4

14.

2.1.13. Стали и сплавы с особыми

физико-механическими свойствами

8

-/2

6

15.

2.1.14. Титан и его сплавы

4

-/2

2

16.

2.1.15. Сплавы на основе алюминия

и магния

9

6

-/2

2/-

2

17.

2.1.16. Сплавы на основе меди

10

4

-/2

2

18.

2.1.17. Подшипниковые сплавы и припои

11

4

-/2

2

19.

2.1.18. Композиционные материалы

4

-/2

2

20.

2.1.19. Порошковые материалы

4

-/2

2

21.

2.1.20. Пластмассы

13

6

-/2

2/-

2

22.

2.1.21. Основы рационального выбора

материалов и методов упрочнения

деталей машин

4

-/2

2

1


Внимание!

Мы хорошо понимаем, что одно только ознакомление с тематическим планом и структурно-логической схемой дисциплины «Материаловедение» может повергнуть в шок многих слабонервных второкурсников (особенно тех, кто по роду своей деятельности не связан с металлообработкой и конструированием изделий из различных материалов).

Поверьте, однако, что для паники нет никаких оснований. Не нужно стремиться запоминать марки, химические составы и свойства конкретных сплавов (их многие тысячи!), следует лишь усвоить характерные особенности материалов различных классификационных групп и при необходимости уметь найти нужную информацию в соответствующей литературе.

В результате освоения дисциплины Вы должны понять, какими путями наука «Материаловедение» решает свои задачи и как эти знания можно использовать для оптимального выбора материалов и технологий их обработки для производства изделий различного назначения.

С точки зрения изучения дисциплины это означает тщательную проработку тем, иллюстрирующих «красную нить материаловедения», т.е. закономерности, связывающие химический состав, структуру и свойства материалов. Эти темы выделены серым цветом на структурно-логической схеме дисциплины и достаточно подробно освещены в «Опорном конспекте» (раздел 3.2.).  


2.3. структурно-логическая схема дисциплины «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»


2.4. временной график изучения дисциплины

Название разделов  (тем)

рабочей программы

Продолжительность

изучения раздела

(темы)

(из расчета – 4часа в день)

  1.  

Раздел 1. тема 1.1.1, .1.12

2 дн.

  1.  

Раздел 1. тема 1.1.3, 1.1.5

2 дн.

  1.  

Раздел 1. тема 1.1.4

2 дн.

  1.  

Раздел 2. тема 1.1.6

2 дн.

  1.  

Раздел 2. тема 1.1.7, 1.1.8

3 дн.

  1.  

Раздел 2. тема 1.1.9

1 дн.

  1.  

Раздел 2. тема 1.1.10

1 дн.

  1.  

Раздел 3. тема  1.1.11, 1.1.12, 1.1.13

5 дн.

  1.  

Раздел 3. тема  1.1.14, 1.1.15, 1.1.16, 1.1.17, 1.1.19

5,5 дн.

  1.  

Раздел 4. тема  1.1.18

1 дн.

  1.  

Раздел 4. тема 1.1.20

1,5 дн.

  1.  

Раздел 5. тема  1.1.21

1 дн.

  1.  

Контрольная работа часть 1

1 дн.

  1.  

Контрольная работа часть 2

2 дн.

ИТОГО:

30 дн.


2.5
. ПРАКТИЧЕСКИЙ БЛОК

ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (16 час)

Номер и наименование темы  

тематического плана

Номер и наименование

лабораторной работы

Кол-во

часов*

Тема2.1.4. Строение металлических сплавов

1. Изучение структуры металлов и сплавов методами макроскопического и микроскопического анализов.

2

Тема2.1.4. Диаграммы состояния двойных сплавов

2. Диаграммы состояния и структура двойных сплавов.

2

Тема2.1.3. Изменение структуры и свойств металлов при пластической деформации и последующем нагреве

3. Влияние холодной пластической деформации и последующего нагрева на структуру и свойства металлов.

4

Тема2.1.6. Строение и свойства железо-углеродистых сплавов в равновесном состоянии

4. Структура и свойства углеродистых сталей и белых чугунов в равновесном состоянии.

4

Тема2.1.6. Строение и свойства железо-углеродистых сплавов в равновесном состоянии

5. Структура и свойства серых чугунов.

2

Тема2.1.7. Упрочняющая термическая обработка сталей (влияние структурных превращений при закалке и отпуске на свойства сталей)

Тема2.1.8. Технология термической обработки стали

6. Термическая обработка (закалка и отпуск) углеродистых сталей.

4

Тема2.1.10. Влияние легирования на структуру и свойства сталей

7. Легированные стали. Влияние легирования на прокаливаемость стали.

4

Тема2.1.12. Инструментальные стали и твердые сплавы

8. Изучение теплостойкости сплавов для режущего инструмента.

4

Тема2.1.15. Сплавы на основе алюминия

9. Структура и свойства сплавов на основе алюминия.

4

Тема2.1.16. Сплавы на основе меди

10. Структура и свойства сплавов на основе меди.

2

Тема2.1.11. Конструкционные стали

Тема2.1.16. Сплавы на основе меди

11. Структура и свойства сплавов для деталей подшипников качения и скольжения.

2

Тема2.1.11. Конструкционные стали Тема2.1.13. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

12. Материалы упругих элементов. Построение характеристик плоских пружин.

4

Тема2.1.20. Пластмассы

13. Влияние природы полимера на технологию изготовления деталей из пластмасс.

4

* - часовая емкость лабораторной работы 

  1.  
    Рейтинговая система оценки знаний

Курс дисциплины «Материаловедение» содержит 21 тему в 5 разделах, при изучении которых  следует выполнить 4…8 лабораторных работ в зависимости от специальности и формы обучения. После изучения каждой темы необходимо ответить на вопросы для самопроверки и вопросы теста текущего (промежуточного) контроля. В практической  части кура необходимо выполнить лабораторные работы каждая из которых добавляет балл в ваш рейтинг. Завершается работа с курсом выполнением контрольной работы и ответа на  вопросы теста рубежного контроля.

За каждый вид самостоятельных работ начисляется определенное число баллов:

- за правильный ответ на вопросы промежуточных тестов «опорного конспекта» – 1 балл. Итого 23…43 балла за лекционные занятия (теоретический материал);

- за правильно выполненную лабораторную работу – 5 баллов. Итого 20…65 баллов за лабораторные занятия;

- за правильно выполненную контрольную работу: первая часть контрольной работы оценивается в 10 баллов, каждая задача второй части – по 5 баллов. Итого 20, 25 или 30 баллов за выполненную контрольную работу.

- за каждый правильный ответ рубежного  теста – 2 балла. Итого 6,8 или 10 баллов за  итоговый тест.

Теоретический материал «Опорного конспекта» разбит на 6 лекционных тем опорного конспекта. По каждой теме студенты проходят тесты из пяти вопросов. Итого максимальное количество баллов: в 6 темах 43 вопроса 1 балл = 43 балла.

Ответы на вопросы тренировочных тестов по разделам «опорного конспекта» не оцениваются. Однако настоятельно советую Вам отвечать на них, так как эти тесты – репетиция сдачи тестов рубежных.

После освоения материала «Опорного конспекта», выполнения необходимых лабораторных работ и контрольной (и она зачтена преподавателем!) работы. Остается завершающий этап учебного процесса – подготовка и сдача экзамена. Независимо от формы обучения процесс сдачи экзамена происходит очным путем, т.е. при непосредственном общении с преподавателем.

При успешной работе с материалами курса студент может набрать максимум 148 баллов. Для получения допуска к экзамену нужно набрать более 63 баллов.

Оценка результатов обучения проводится в соответствии со следующей схемой (табл. 1).

Рейтинговая оценка знаний                                        Таблица 1

Этапы рейтинга

Количество набранных баллов на оценку

Удовл-но

Хорошо

Отлично

1

Лекционные занятия:

«Опорный конспект»

1 ответ  

1 балл

4 вопроса

по теме 1.1

2

3

4

5 вопросов

по теме 1.2

2

3

5

5 вопросов

по теме 1.3

2

3

5

11 вопросов

по теме 2.1

4

7

10…11

8 вопросов

по теме 2.2

3

5

7…8

11 вопросов

по теме 2.3

4

6

8…10

Итого:

17

27

39…43

2

Лабораторные работы.

5 баллов/работа.

20, 25

30, 35

50..65

3

Контрольная работа.

Часть 1 - 10 баллов.

Часть 2 - 5 балов/задача.

20

25

30

4

Итоговый тест 5 вопросов.

2 балла/ответ.

6

8

10

Итоговая сумма:

63…68

90…95

119…148

Для облегчения самостоятельной подготовки к экзамену в конце УМК приведены вопросы для самопроверки, тестовые задания итогового контроля и вопросы для экзамена.

Тематика представленных в итоговом контроле вопросов соответствует содержанию государственных стандартов на дисциплину «Материаловедение».


3.
Информационные  ресурсы  дисциплины 

3.1. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основной:

1. Лахтин, Ю.М. Материаловедение /Ю.М. Лахтин, В.П Леонтьева. - М.: Машиностроение, 1990.

2. Материаловедение /под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.

3. Солнцев, Ю.П. Материаловедение /Ю.П. Солнцев, Е.И. Пряхин, Ф. Войткун. - СПб.: Химиздат, 2002.

4. Гуляев, А.П. Металловедение /А.П. Гуляев. - М.: Металлургия, 1986.

Дополнительный:

5. Солнцев, Ю.П. Специальные материалы в машиностроении /Ю.П. Солнцев, Е.И. Пряхин, В.Ю. Пирайнен - СПб.: Химиздат, 2004.

6. Материаловедение: Методические указании к выполнению лабораторных работ /Сост. Е.В. Шадричев, А.В. Сивенков. - СПб.: СЗТУ, 2008.

7. Геллер, Ю.Л. Материаловедение /Ю.Л. Геллер, А.Г. Рахштадт. - М.: Металлургия, 1989.

8. Шадричев, Е.В. Строение и свойства металлических сплавов /Е.В. Шадричев. - Л.: СЗПИ, 1991.

9. Брук, Б.И. Закономерности формирования структуры и свойств кристаллических материалов /Б.И. Брук. - Л.: СЗПИ, 1984.

10. Чернецов, В.И. Материаловедение и обработка конструкционных материалов /В.И. Чернецов. - Л.: СЗПИ, 1988.

11. Колесник, П.А. Материаловедение на автомобильном транспорте /П.А.Колесник. - М: Транспорт, 1987.

12. Лифшиц, Л.С. Материаловедение для сварщиков /Л.С. Лифшиц. - М.: Машиностроение, 1979.

13. Термическая обработка в машиностроении: справочник /под ред. Ю.М. Лахтина, А.Г. Рахштадта. - М.: Машиностроение, 1980.

14. Полевой, С.Н. Упрочнение металлов: справочник /С.Н. Полевой, В.Д. Евдокимов. - М.: Машиностроение, 1986.

15. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, [и др.]; под общ. ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989.

16. Журавлев, В.Н. Машиностроительные стали: cправочник /В.Н. Журавлев, О.И. Николаева. - М.: Машиностроение, 1981.

17. Машиностроительные материалы: краткий справ. /В.М. Раскатов, В.С. Чуенков, Н.Ф. Бессонова, Д.А. Вейс. - М.: Машиностроение, 1980.

18. Композиционные материалы: справочник /под общ. ред. В.В. Ва-сильева, Ю.М. Тарнопольского. - М.: Машиностроение, 1990.

19. Кацнельсон, М.Ю. Полимерные материалы: справочник /М.Ю. Кацнельсон, Г.А. Балаев. – Л.: Химия, 1982.

20. Технические свойства полимерных материалов: учеб.–справ. пособие / В.К. Крыжановский, В.В. Бурлов, А. Д. Паниматченко, Ю.В. Крыжановская. – СПб, Профессия, 2003.

21. Мотовилин, Г.В. Автомобильные материалы: справочник /Г.В. Мотовилин, М.А. Масино, О.М. Суворов. - М.: Транспорт, 1989. - 464 с.

22. Справочник по современным судостроительным материалам /В.Р. Абрамович, [и др.]. – Л.: Судостроение, 1979.

23. Конструкционные материалы АЭС /Ю.Ф. Баландин, И.В. Горынин, Ю.И. Звездин, В.Г. Марков. – М.: Энергоатомиздат, 1984.

24. Электрические машины: учеб. для вузов – 4-е изд. /И.П. Копылев. – М.: Высш. школа, 2004.

25. Материалы в приборостроении и автоматике: справочник /под ред. Ю.М. Пятина. – М.: Машиностроение, 1982.

26. Чурабо, Д.Д. Детали и узлы приборов. Конструирование и расчет: справочное пособие /Д.Д. Чурабо. - М.: Машиностроение, 1975.

27. Справочник конструктора-приборостроителя. Детали и механизмы приборов /В.Л. Соломахо, Р.И. Томилин, Б.В. Цитович, Л.Г. Юдовин. - Минск: Выш. шк., 1990.

28. Рахмилевич, З.З. Справочник механика химических и нефтехимических производств /З.З. Рахмилевич, И.М. Радзин, С.А. Фарамазов. - М.: Химия, 1985.

29. Шрейбер, Г.К. Конструкционные материалы в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности /Г.К. Шрейбер, С.М. Перлин, Б.Ф. Шибряев. - М.: Машиностроение, 1969.

30. Трезубов, В.Н. Ортопедическая стоматология. Прикладное материаловедение /В.Н. Трезубов, М.З. Штейнгард, Л.М. Мишнев. - СПб.: Спец. лит., 1999.

31. Рабинович, И.М. Применение полимеров в медицине /И.М. Рабинович. – Л.: Медицина, 1972.

32. Геллер, Ю.А. Инструментальные стали /Ю.А. Геллер. -м.: Металлургия, 1983.

33. Гуляев, А.П. Выбор марки стали для деталей машин (Основные положения) /А.П. Гуляев. - Металловедение и термическая обработка металлов.-1983.- №1.

34. Елизаров, Ю.Д., Материаловедение для экономистов /Ю.Д. Елизаров, А.Ф. Шепелев. - Ростов на Дону: Феникс, 2002.

Средства обеспечения освоения дисциплины (ресурсы Internet):

35. http://www.elib.nwpi.ru - электронная библиотека СЗТУ (справочники: машиностроителя, технолога, конструктора; учебник: Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М : Машиностроение, 1990. - 528 с.);

36. http://metall-2006.narod.ru - «Материаловедение» для студентов СЗТУ;

37. http://tm.msun.ru – электронные учебные пособия по дисциплине «Материаловедение и ТКМ»;

38. http://kfm.misis.ru/science/m-structura/ -  кафедра физического материаловедения московского института стали и сплавов;

39. http://www.crys.ras.ru/kalugar.html  - НИЦ КМ ИК РАН (космическое материаловедение);

40. http://www.nsu.ru/materials/ssl/text/encyclopedia/materials.html  - физика в Интернете: материалы.


3.2. опорный конспект

Введение

Развитие человеческого общества во многом определяется открытием и активным использованием материалов различного назначения. Достаточно вспомнить такие исторические этапы как каменный, бронзовый, железный века. Кстати, можно считать, что железный век, начавшийся более 2 тысяч лет назад, продолжается до сих пор, поскольку сплавы на основе железа (стали и чугуны) являются и сейчас основными конструкционными и инструментальными материалами промышленности.

В настоящее время значение разработки новых и эффективного использования имеющихся материалов особенно велико в связи с острой необходимостью перехода от "сырьевого" к преимущественно инновационному пути развития производства.

Очевидно, что с каждым годом роль науки о материалах и, соответственно, дисциплины "Материаловедение" будет неизбежно возрастать. Поэтому нет нужды рекламировать важность изучения этой дисциплины.

В Предисловии отмечалось, что общеинженерная дисциплина "Материаловедение" ограничивается изучением главным образом конструкционных и инструментальных материалов различного назначения. Номенклатура таких материалов, потребляемых промышленностью, чрезвычайно велика и разнообразна (только сталей выпускается более 2 тысяч марок). Поэтому освоение дисциплины "Материаловедение", содержащей большое количество новых понятий и терминов, а также фактических данных о строении и свойствах различных материалов, требует определенных усилий.

Данный "Опорный конспект" призван облегчить решение этой задачи. Ниже в доступной (по возможности) форме изложены основы материаловедения на примере металлических сплавов.

Для удобства пользования «Опорным конспектом» ниже приведена его структурно-логическая схема.

структурно-логическая схема «опорного конспекта»

 

 

 

Объем обсуждаемых в "Опорном конспекте" тем - лишь часть дисциплины "Материаловедение" (сравни структурные схемы дисциплины – с. 31 и "Опорного конспекта" – с. 40). Однако – это тот минимум, изучение которого необходимо и достаточно для усвоения "красной нити материаловедения", связывающей химический состав, структуру и свойства материалов.

Любой материал характеризуется химическим составом, структурой и свойствами.

Материаловедение – это наука, изучающая связь между химическим составом, структурой и свойствами материалов и закономерности изменения этих свойств под влиянием внешних воздействий (механических, термических, химических и др.), реализуемых в процессе производства, обработки и эксплуатации изделий из этих материалов (см. рис. 1).

Химический состав – это процентное содержание (обычно % по  массе) химических элементов, присутствующих в данном материале.

Понятие структура имеет очень широкий смысл, включающий все сведения о материале от электронного строения отдельных атомов до видимых невооруженным глазом макродефектов образцов (изделий). В практическом материаловедении (и данном пособии) под термином структура обычно подразумевается микроструктура материалов, изучаемая с помощью микроскопов (тип и относительное количество фаз, форма, размеры и взаимное расположение кристаллов этих фаз).

Рис. 1. Структурная схема дисциплины «Материаловедение»

Для потребителя (в частности, студента) главным элементом приведенной на рис. 1 схемы являются свойства, поскольку имеющийся комплекс физических, механических и других свойств определяет возможность конкретного применения того или иного материала. Из множества свойств, присущих любому материалу,  наиболее общими являются механические свойства (материалы, не обладающие, например, достаточной прочностью, не могут иметь широкого практического применения), они же и наиболее важны для конструкционных и инструментальных материалов, которые в основном и изучаются в данном курсе. Кроме того, механические свойства «структурночувствительны», то есть чутко реагируют на изменения в структуре материалов, поэтому позволяют наглядно продемонстрировать «красную нить» материаловедения: Состав  Структура  Свойства. Знание закономерностей, связывающих эти три С (см. рис. В.1), позволяет производить оптимальный выбор материалов и технологий их обработки для изделий различного назначения. Такой выбор должен обеспечивать технологичность изготовления изделия, его надежность и долговечность в условиях эксплуатации  и быть экономически оправданным. Выработка такого умения является главной целью подготовки инженера в области материаловедения.

Надеемся, что в результате  изучения предлагаемого ниже теоретического курса, выполнения лабораторных и контрольных работ эта цель будет Вами достигнута.   

Успеха!

Как отмечалось выше, основная часть курса «Материаловедение» и, соответственно, данного пособия посвящена металлическим  сплавам – наиболее широко применяемым конструкционным и инструментальным материалам. 


Раздел 1. строение и свойства металлических сплавов

тема 1.1. Механические свойства металлов2

и принципы их определения

Во Введении подчеркивалось, что свойства (в нашем случае - механические) – наиболее интересующая потребителя часть информации о материале (наряду, конечно, со стоимостью).

Механические свойства характеризуют поведение материалов при внешнем (механическом) нагружении.

Наиболее общими механическими свойствами являются прочность и твердость, пластичность и ударная вязкость.

Прочность – способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок. Стандартными характеристиками прочности, которые закладываются в конструкторский расчет, являются условный предел текучести (0,2) и предел прочности (в). Они определяются по результатам статического растяжения образцов усилием (нагрузкой) , (рис. 1.1.1)

Рис. 1.1.1. Схема испытаний образцов на растяжение

Приложение к телу нагрузки вызывает его деформацию – изменение размеров (и часто формы) тела. В данном случае величину деформации можно оценить относительным удлинением

=  %,                                                 (1.1.1)

где l0 и l длина образца в исходном  и деформированном состояниях соответственно.

Реакцией тела на деформацию является возникновение  в нем внутренних напряжений,

                             σ = P/S ,                                                        (1.1.2)

стремящихся предотвратить  деформацию и, в конечном счете, разрушение образца.

При относительно небольших нагрузках деформация обратимая – упругая – образец восстанавливает свои размеры (форму) при снятии нагрузки. Упругая деформация подчиняется закону Гука:

                              σ = Еδ,                                                               (1.1.3)    

где Е=const – модуль упругости (модуль Юнга), характеризующий жесткость материала – сопротивляемость упругой деформации.

Максимальное напряжение, при котором еще выполняется закон Гука называется пределом упругости (σу).                                                                 

При значительных нагрузках (когда возникающее в теле напряжение σ становится больше σу) деформация становится необратимой = остаточной = пластической, т.е. частично сохраняется при снятии нагрузки.

Напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2 % (δ=0,2 %) называется условным пределом текучести (0,2).

Максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрушения называется пределом прочности или временным сопротивлением (в).

Все перечисленные прочностные характеристики (у, 0,2, в и Е)3 очень важны, т.к. дают разностороннюю информацию о прочности материала, но, к сожалению, способ их определения трудоемок и весьма дорог. Значительно проще измерение твердости (Н)4сопротивления местной упругой и пластической деформации.

Твердость определяется методом вдавливания твердого наконечника – индентора в испытуемый образец (рис. 1.1.2) и оценивается по глубине или размеру возникающего отпечатка (углубления). Приборы для измерения твердости различаются материалом (твердостью) и формой индентора и величиной прилагаемой нагрузки.

Рис. 1.1.2.  Схема испытаний образцов на  твердость

Соответственно различают НВ, HRB (HRC) и HV – твердость по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу, соответственно. НВ и HRB (индентор – закаленный стальной шарик) используют для измерения твердости мягких материалов; HRC и HV (индентор – алмазные конус и пирамида соответственно) – для твердых и очень твердых материалов.

Пластичность – способность материала пластически деформироваться без разрушения. На явлении пластичности  основаны все способы обработки металлов давлением. Величину пластичности определяют по результатам испытаний образцов на растяжение (рис. 1.1.1) и оценивают относительным удлинением (1.1.1) и относительным сужением:

                  Ψ = (S0S)/S0  100 %.                                     (1.1.3)   

Из формул (1.1.1) и (1.1.3) очевидно, что характеристики пластичности измеряются в %.

Ударная вязкость характеризует сопротивление материала хрупкому разрушению.

Поскольку «охрупчиванию» материала при данной температуре способствуют: увеличение скорости нагружения и наличие поверхностных (и внутренних) дефектов типа микротрещин, то ударную вязкость определяют по результатам ударных испытаний образцов по специальным надрезам (рис. 1.1.3).

Рис. 1.1.3. Схема испытаний образцов на  ударную вязкость

Величина ударной вязкости (КС)  определяется как работа (А) деформации и разрушения образца, отнесенная к площади его поперечного сечения (S) в месте надреза:

КС=А/S.                                                  (1.1.4)

В обозначениях ударной вязкости KCU и KСV  последняя буква указывает форму надреза (испытания образца, показанного на рис. 1.1.3, соответствуют KCV). Размерность ударной вязкости Дж/м2 (1МДж/м2 = 10 кгм/см2).

Ударная вязкость очень важная характеристика, т.к. от ее величины зависит эксплуатационная надежность изделий. Материалы с малой величиной ударной вязкости являются хрупкими и могут легко разрушаться даже при небольших динамических нагрузках из-за случайных (или технологических) повреждений поверхности деталей или внутренних дефектов структуры.

Помимо приведенных в этом разделе существует ряд других механических свойств (методов испытаний), с которыми можно ознакомиться в учебной литературе (см. [1…4])

Знание всей совокупности этих свойств позволяет оценить конструкционную прочностькомплексную характеристику работоспособности материала в реальной конструкции.

В заключение этой темы отметим, что приведенные выше сведения являются частью курса «Сопротивление материалов». Здесь не обсуждается внутреннее строение материалов, без знания которого невозможно понять взаимосвязь между химическим составом, структурой и свойствами материалов, что является задачей «Материаловедения».

Внимание!

Вы ознакомились (нет – изучили!) с содержанием введения и темы 1.1. Для проверки усвоения этого учебного материала попробуйте ответить на следующие вопросы.

Вопросы для самопроверки к теме 1.1

1. Что такое химический состав материала?

2. Что входит в понятие структуры (микроструктуры) материалов?

3. Какие свойства наиболее важны для конструкционных материалов? Почему?

4. Какова цель «материаловедческой подготовки» инженеров?

5. Перечислите основные  механические свойства материалов.

6. Назовите наиболее распространенные  характеристики прочности. Как они определяются, в каких единицах измеряются?

7. Перечислите приборы для измерения твердости; как обозначаются величины твердости, полученные на этих приборах?

8. Что такое пластичность? Какими характеристиками оценивают ее величину?

9. Какое свойство характеризуется символом KCU? Каков принцип его определения? В каких единицах оно измеряется?

10. Каково характерное свойство материалов с низкой величиной KCU?

Если Вы успешно отвечаете на эти вопросы, можно переходить к проверке качества Ваших знаний данной темы с помощью тестов.

Читайте внимательно тестовые задания. Обычно правильный ответ в каждом вопросе один из 5 перечисленных. Однако в тестах к другим темам «Опорного конспекта» задания могут быть усложнены. Правильность ваших ответов можете проверить в конце конспекта.

Промежуточные тесты к теме 1.1

I. Какое из перечисленных свойств (параметров) в наибольшей степени характеризует сопротивление материала хрупкому разрушению?

1. Твердость.

2. Предел прочности.

3. Относительное удлинение.

4. Ударная вязкость.

5. Предел текучести.

II. Какая характеристика металла должна быть высокой для успешной обработки его давлением (например, холодной штамповки)?

1. Предел текучести.

2. Предел прочности.

3. Относительное удлинение.

4. Модуль упругости.

5. Твердость.

III. Если при испытании образца оказалось, что величина δ ≈ 0 %, то при каком виде нагружения можно успешно эксплуатировать изделия из данного материала?

1. Изгиб.

2. Кручение.

3. Растяжение.

4. Сжатие.

5. Удар.

IV. Какое из перечисленных свойств является механическим?

1. Плотность.

2. Электросопротивление.

3. Пластичность.

4. Коэрцитивная сила.

5. Теплоемкость.

Если Вы ответили на эти вопросы для самопроверки и справились с тестами, можете переходить к освоению следующей темы «Опорного конспекта». Если возникли проблемы с ответами на какие-то вопросы, следует повторить изучение соответствующих частей данной темы. Поступайте подобным образом и при изучении последующих тем «Опорного конспекта». 


Тема 1.2. Кристаллическое строение и

свойства металлов

Все написанное ниже справедливо для любых кристаллических материалов, но можно начать с чистых металлов, являющихся основой металлических сплавов, т.е. большинства промышленных материалов.

Физической основой обсуждаемых здесь проблем являются представления об атомном строении твердых тел, изучаемые в соответствующих темах физики и химии, содержание которых желательно освежить в памяти.

1.2.1.  Кристаллические решетки металлов

Металлы обычного способа производства имеют кристаллическое строение. В кристаллах атомы расположены строго упорядоченным образом так, что, если через их центры провести воображаемые линии вдоль трех координатных осей, они образуют пространственную (кристаллическую) решетку (рис. 1.2.1).

Рис. 1.2.1. Пространственная кристаллическая решетка

Основное свойство кристаллических решеток – их пространственная периодичность. Это значит, что любую кристаллическую решетку можно представить состоящей из множества одинаковых соприкасающихся микрообъемов, называемых элементарными ячейками. В общем случае элементарная ячейка представляет собой параллелепипед, построенный на трех векторах , ,  (рис. 1.2.1).

Тип кристаллической решетки определяется формой элементарной ячейки и характером расположения в них атомов.

Количественно кристаллические решетки описываются тремя основными характеристиками:

1. Период (или параметр) решетки – расстояние между соседними узлами решетки вдоль трех координатных осей. В общем случае решетка характеризуется тремя параметрами – скалярными величинами а, в, с (рис. 1.2.1.).

В случае простой кубической решетки (рис. 1.2.2) имеется один параметр решетки, равный ребру элементарной ячейки (куба).

Рис. 1.2.2. Элементарная ячейка простой кубической решетки (а) и схема упаковки в ней атомов (б)

Очевидно, что величина параметра решетки очень мала (в металлах ≈0,2…0,6 нм; 1 нм = 10-9м) и определяется рентгеноструктурным анализом.

2. Координационное число (К) – число ближайших соседей, окружающих данный атом и находящихся от него на одинаковых расстояниях. Для оценки величины К нужно представить, что элементарная ячейка со всех сторон окружена себе подобными (рис. 1.2.3).

Рис. 1.2.3. Определение координационного числа и относительной плотности упаковки в простой кубической решетке

Видно, что в простой кубической решетке К = 6.

3. Относительная плотность упаковки решетки атомами (q) – отношение объема, занимаемого атомами в ячейке, к объему самой ячейки, т.е.

                            q =  %,                                             (1.2.1)  

где r – радиус атома, а – параметр решетки (см. рис. 1.2.2), n – число целых атомов, приходящихся на одну ячейку.

Очевидно, что в простой кубической решетке n =  (см. рис. 1.2.3), поэтому легко подсчитать (учитывая, что а = 2r), что в простой кубической решетке q = 52 %. Такая решетка является «рыхлой», так как 48 % ее объема приходится на межатомные пустоты.

Металлическим элементам свойственны плотноупакованные решетки с высокой степенью компактности, т.е. с большими значениями К и q.

Многие металлы имеют объемноцентрированную (ОЦК) и гранецентрированную (ГЦК) решетки, их характеристики приведены на рис. 1.2.4.

Рис. 1.2.4. Объемноцентрированная (ОЦК) и гранецентрированная (ГЦК) решетки

Например, ОЦК решетку имеет Feα (или αFe), а ГЦК решетку – Feγ (или γFe). Такая способность некоторых веществ иметь различный тип решетки называется полиморфизмом.

Полиморфизм железа играет важнейшую роль в формировании структуры и свойств железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов (Темы 2.1 и 2.2 «Опорного конспекта»).

1.2.2. Дефекты кристаллической решетки

(реальное строение кристаллов)

В реальных кристаллах всегда имеются отклонения от идеального порядка в расположении атомов, называемые несовершенствами или дефектами решетки. По геометрии вызываемых ими нарушений решетки дефекты подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты 

На рис. 1.2.5 показаны различные виды точечных дефектов. Это вакансии – пустые узлы решетки, «свои» атомы в междоузлии и атомы примесей в узлах решетки и междоузлиях. Основная причина образования первых двух видов дефектов – движение атомов, интенсивность которого возрастает с повышением температуры.

Рис. 1.2.5. Типы точечных дефектов кристаллической решетки:

1 – вакансия,

2 – атом в междоузлии,

3 и 4 – атомы примесей в узле и междоузлии соответственно

Вокруг любого точечного дефекта возникает местное искажение решетки радиусом R в 1…2 периода решетки (см. рис. 1.2.6), поэтому, если таких дефектов много, они влияют на характер распределения межатомных сил связи и, соответственно, на свойства кристаллов.

Рис. 1.2.6. Локальное искажение кристаллической решетки вокруг

вакансии (а) и примесного атома в узле решетки (б)

Линейные дефекты 

Линейные дефекты называются дислокациями. Их появление вызвано наличием в отдельных частях кристалла «лишних» атомных полуплоскостей (экстраплоскости). Они возникают в процессе кристаллизации металлов (из-за нарушения порядка заполнения атомных слоев) или в результате их пластического деформирования, как показано на рис. 1.2.7.

Рис. 1.2.7.  Образование краевой дислокации () в результате частичного сдвига верхней части кристалла под действием усилия : АВСD -  плоскость скольжения;  EFGН – экстраплоскость;

EН – линия краевой дислокации

Видно, что под влиянием сдвигающего усилия  произошел частичный сдвиг верхней части кристалла вдоль некоторой плоскости скольжения («легкого сдвига») АВСD. В результате образовалась экстраплоскость EFGH. Поскольку она не имеет продолжения вниз, вокруг ее края EH возникает упругое искажение решетки радиусом в несколько межатомных расстояний (т.е. 10-7см – см. тема 1.2.1), протяженность же этого искажения во много раз больше (может доходить до 0,1…1 см).

Такое несовершенство кристалла вокруг края экстраплоскости является линейным дефектом решетки и называется краевой дислокацией.

Важнейшие механические свойства металлов – прочность и пластичность (см. тема 1.1) – определяются наличием дислокаций и их поведением при нагружении тела. 

Остановимся на двух особенностях механизма перемещения дислокаций.

1. Дислокации могут весьма легко (при малой нагрузке ) передвигаться вдоль плоскости скольжения посредством «эстафетного» перемещения экстраплоскости. На рис. 1.2.8 показан начальный этап такого движения (двумерный рисунок в плоскости, перпендикулярной линии краевой дислокации).

 
Рис. 1.2.8. Начальный этап эстафетного перемещения краевой дислокации (): А-А – плоскость скольжения, 1-1 экстраплоскость (исходная позиция)

Под действием усилия  атомы экстраплоскости (1–1) отрывают от плоскости (2–3) атомы (2–2), расположенные выше плоскости скольжения. В результате эти атомы образуют новую экстраплоскость (2-2); атомы «старой» экстраплоскости (1–1) занимают освободившиеся места, достраивая плоскость (1-1-3). Этот акт означает исчезновение «старой» дислокации, связанной с экстраплоскостью (1–1), и возникновение «новой», связанной с экстраплоскостью (2-2), или, другими словами, передачу «эстафетной палочки» - дислокации на одно межплоскостное расстояние. Такое эстафетное перемещение дислокации будет продолжаться до тех пор, пока она не дойдет до края кристалла, что будет означать сдвиг его верхней части на одно межплоскостное расстояние (т.е. пластическую деформацию).

Этот механизм не требует больших усилий, т.к. состоит из последовательных микросмещений, затрагивающих лишь ограниченное число атомов, окружающих экстраплоскость.

2. Очевидно, однако, что такая легкость скольжения дислокаций будет наблюдаться лишь в том случае, когда на их пути отсутствуют какие – либо препятствия. Такими препятствиями являются любые дефекты решетки (особенно линейные и поверхностные!), а также частицы других фаз, если они присутствуют в материале. Эти препятствия создают искажения решетки, преодоление которых требует дополнительных внешних усилий, поэтому могут заблокировать движение дислокаций, т.е. сделать их неподвижными.

Поверхностные дефекты 

Все промышленные металлы (сплавы) являются поликристаллическими материалами, т.е. состоят из огромного количества мелких (обычно 10-2…10-3 см), хаотически ориентированных кристалликов, называемых зернами. Очевидно, что периодичность решетки, присущая каждому зерну (монокристаллу), в таком материале нарушена, поскольку кристаллографические плоскости зерен повернуты относительно друг друга на угол α (см. рис. 1.2.9), величина которого колеблется от долей до нескольких десятков градусов.

Рис. 1.2.9. Схема строения границ зерен в поликристаллическом материале

Граница между зернами представляет собой переходный слой шириной до 10 межатомных расстояний, обычно с неупорядоченным расположением атомов. Это место скопления дислокаций, вакансий, примесных атомов. Поэтому в объеме поликристаллического материала границы зерен являются двумерными, поверхностными дефектами.

1.2.3. Влияние дефектов решетки на механические

свойства кристаллов.

Пути повышения прочности металлов

В этой теме  рассмотрим, в основном, влияние дефектов решетки на прочность кристаллических материалов.

В теме 1.1 отмечалось, что прочность – это способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием внешней нагрузки.

Под прочностью кристаллических тел понимают их сопротивление приложенной нагрузке, стремящейся сдвинуть или, в пределе, оторвать одну часть кристалла относительно другой.

Наличие в металлах подвижных дислокаций (уже в процессе кристаллизации возникает до 106…108 дислокаций в сечении, равном 1см2) приводит к их пониженной сопротивляемости нагружению, т.е. высокой пластичности и невысокой прочности.

Очевидно, что наиболее эффективным способом повышения прочности будет удаление дислокаций из металла. Однако такой путь не технологичен, т.к. бездислокационные металлы удается получать лишь в виде тонких нитей (так называемых «усов») диаметром в несколько микрон и длиной до 10 мкм.

Поэтому практические способы упрочнения основаны на торможении, блокировании подвижных  дислокаций путем резкого увеличения числа дефектов решетки (в первую очередь линейных и поверхностных!), а также создании  многофазных материалов (см. параграф 1.2.2.).

Такими традиционными методами повышения прочности металлов являются:

  •  пластическое деформирование (явление наклепа или нагартовки),
  •  термическая (и химико-термическая) обработка,
  •  легирование (введение специальных примесей) и, наиболее общий подход, – это создание сплавов.

В заключение следует отметить, что повышение прочности,  основанное на блокировании подвижных дислокаций, приводит к снижению пластичности и ударной вязкости и, соответственно, эксплуатационной надежности материала.

Поэтому вопрос о степени упрочнения необходимо решать индивидуально, исходя из назначения и условий работы изделия.

Внимание!

Вы осилили и эту тему. Многое в нем должно быть знакомо по школьным и вузовским курсам физики и химии, поэтому Вы должны успешно справиться с вопросами для самопроверки и тестовыми заданиями.

Вопросы для самопроверки к теме 1.2

1. В чем особенность кристаллического строения?

2. Какими характеристиками описывают кристаллические решетки?

3. Что такое период решетки; какова его примерная величина?

4. Определите координационное число и относительную плотность упаковки простой кубической решетки.

5. какие разновидности кубических решеток свойственны металлическим элементам?

6. Что такое полиморфизм?

7. Что такое дефекты решетки? Назовите их разновидности.

8. Перечислите основные виды точечных дефектов. Охарактеризуйте нарушения в решетке, создаваемые этими дефектами.

9. Что такое краевые дислокации? Как они возникают?

10. Каков механизм перемещения дислокаций?

11. Как влияет совершенство кристаллической решетки на подвижность дислокаций?

12. Что представляют собой поверхностные дефекты решетки?

13. Что является причиной пониженной прочности технических (неупрочненных) металлов?

14. Каковы принципы повышения прочности металлов?

15. Перечислите практические  методы упрочнения металлов?

16. Как влияют традиционные методы повышения прочности на пластичность и ударную вязкость металлов?

Промежуточные тесты к теме 1.2

I. Каков наиболее вероятный порядок величины периода (параметра) кристаллической решетки?

1. 10-1 см.

2. 10-6 см.

3. 10-8 см.

4. 10-10 см.

5. 101 см.

II. Сколько целых атомов приходится на элементарную ячейку простой кубической решетки?

1. 8.

2. 1/8.

3. 1.

4. 6.

5. 4.

III. Какой вид дефектов кристаллической решетки обеспечивает высокую пластичность металлов?

1. Вакансии.

2. Дислокации.

3. Атомы примесей.

4. Дислоцированные (междоузельные) атомы.

5. Границы зерен.

IV. Какое из перечисленных утверждений неверно? Холодная пластическая деформация:

1) повышает прочность металла;

2) повышает электросопротивление;

3) снижает пластичность;

4) повышает ударную вязкость;

5) повышает твердость.

V. Какое из перечисленных утверждений неверно? Практические  пути повышения прочности металлов основаны на:

1) увеличении количества точечных дефектов;

2) измельчении зерна;

3) торможении дислокаций;

4) введении примесных атомов;

5) полном удалении дислокаций.

Тема 1.3.  Строение металлических сплавов

В конце предыдущей темы отмечалось, что создание сплавов – наиболее общий путь повышения прочности металлических материалов. Этот метод (сплавления) позволяет получить также более широкий диапазон особых полезных свойств (например, жаропрочность, коррозионную стойкость, тепло – и износостойкость и др.).

Сплавы это материалы, полученные сплавлением или спеканием (порошковая металлургия) двух или более компонентов.

Компонентывещества, образующие сплав; ими могут быть химические элементы или устойчивые химические соединения.

Структура и свойства сплава определяются в первую очередь природой (типом) фаз, образующихся при сплавлении компонентов.

Фаза – однородная по химическому составу, типу решетки и свойствам часть сплава, отделенная от других частей границей раздела.

В зависимости от характера физико–химического взаимодействия компонентов в металлических сплавах возможны три основных типа твердых (кристаллических) фаз:

1) химические элементы,

2) химические соединения,

3) твердые растворы.

Основной (матричной) фазой большинства промышленных сплавов являются твердые растворы, поэтому рассмотрим их более подробно.

Твердые растворы – это фазы, в которых атомы одного компонента В размещены (растворены) в кристаллической решетке другого компонента А – «растворителя». По мере увеличения числа атомов В в решетке А химический состав и свойства твердого раствора плавно изменяются (в частности, температура плавления), т.е. это фазы переменного состава (в отличие от химических элементов и химических соединений).

Сплав, представляющий собой твердый раствор, является однофазным веществом с решеткой, присущей основному компоненту (растворителю). Атомы второго компонента (растворенного) размещены в решетке растворителя, как правило, случайным, неупорядоченным образом.

По способу размещения атомов растворенного вещества (В) в решетке А различают два основных типа твердых растворов – растворы замещения и внедрения (рис. 1.3.1)

Рис. 1.3.1. Твердые растворы замещения (а) и внедрения (б)

Видно, что при образовании твердых растворов замещения атомы В располагаются в вакансиях решетки компонента А (см. рис. 1.2.5). При этом количество атомов В в решетке А  может изменяться в широких пределах (при определенных условиях возможна даже неограниченная взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии).

В случае твердых растворов внедрения атомы В располагаются в междоузлиях решетки А. Понятно, что это возможно, если размеры атомов В сравнимы с размерами межатомных пустот решетки А. Поэтому растворы внедрения образуют с металлами элементы, имеющие наименьший атомный радиус (H, B, C, N). Такие растворы всегда имеют ограниченную растворимость.

Очевидно, что растворенные атомы (В) являются точечными дефектами, вызывающими искажение решетки А (см. рис. 1.2.6), поэтому образование  сплавов – твердых растворов должно приводить к повышению прочности исходных компонентов (см. параграфы 1.2.2 и 1.2.3).

Химические соединения обычно имеют фиксированный состав, отвечающий формуле АnВm , где n и m – простые числа, причем тип решетки соединения Аn Вm отличается от решетки исходных компонентов.

В железоуглеродистых  сплавах (сталях и чугунах), которые обсуждаются в последующих темах, наиболее важны соединения металлов (например, железа) с углеродомкарбиды.

Независимо от природы химические  соединения в металлических сплавах, как правило, обладают высокой твердостью и хрупкостью (т.е. малопластичны); твердые растворы, напротив, имеют хорошую пластичность (и вязкость), но невысокую прочность и твердость.

Поэтому оптимальному сочетанию свойств конструкционных металлических сплавов (высоким значения прочности и ударной вязкости) соответствует структура, в которой дисперсные ( 10 нм)  частицы твердых химических соединений равномерно и достаточно плотно (на расстояниях 20…40 нм) распределены в пластичной матричной фазе – твердом растворе.

Исходя из этого можно сказать, что свойства сплавов зависят в первую очередь от природы и относительных количеств присутствующих фаз, но также   и от формы, размеров, взаимного расположения кристаллов этих фаз, т.е. от конкретной структуры сплава. Например, если частицы химических соединений расположены в виде сетки в твердом растворе, эксплуатационная надежность такого материала будет понижена из-за возможности облегченного разрушения по хрупким оболочкам (химических соединений), разобщающим зерна твердого раствора.

Итак, свойства сплавов (данного химического состава) определяются их структурой. Чтобы прогнозировать свойства какого-либо сплава, нужно знать его структуру.

Структуру сплавов различного химического состава можно установить путем анализа соответствующих диаграмм фазового равновесия или диаграмм состояния.5

Под состоянием понимают наличие тех или иных фаз в сплаве данного химического состава при данной температуре. То есть диаграммы состояния строятся в координатах «температура–химический состав сплавов системы А–В».

Линии диаграмм состояния – это линии фазовых превращений («критические линии»), при пересечении которых фазовый состав (структура) сплавов обязательно изменяется.

Умение анализировать диаграммы состояния является важной частью освоения курса материаловедения. К сожалению,  из-за ограниченности объема «Опорного конспекта» нет возможности посвятить этому вопросу  отдельную тему, но рекомендуется самостоятельно проработать соответствующую тему (см. [1…4, 8]). Это облегчит усвоение материала последующих тем, посвященных структуре и свойствам конкретных промышленных сплавов.

Внимание!

Тема 1.3 – небольшая по объему и достаточно простая для восприятия, однако она содержит ряд новых понятий, для усвоения которых требуются определенные усилия, поэтому…

Вопросы для самопроверки к теме 1.3

1. Дайте определение понятий «сплав», «компонент», «фаза». Может ли двухкомпонентный сплав быть однофазным?

2. Какое слово является ключевым в определении понятия «фаза»?

3. Перечислите основные типы  кристаллических фаз в металлических сплавах?

4. Что такое твердый раствор? Какие типы твердых растворов существуют?

5. В чем принципиальное отличие химических соединений от твердых растворов? Как отличаются механические свойства этих фаз?

6. Как Вы представляете себе оптимальную структуру конструкционных сплавов? Нарисуйте ее.

7. В каких координатах строятся диаграммы состояния? 

8. Каков основной смысл линий диаграмм состояния?

9. Какова роль диаграмм состояния в курсе материаловедения?

Напоминаем, что с темой «Диаграммы состояния двойных сплавов» крайне желательно ознакомиться в учебной литературе [1-4, 8], поскольку изучение структуры и свойств конкретных промышленных сплавов во многом базируется на анализе соответствующих диаграмм состояния (см., например, темы 2.1 и 2.2).

Промежуточные тесты к теме 1.3

I. Какая из перечисленных характеристик не входит в определение понятия «фаза»?

1. Тип решетки.

2. Свойства.

3. Размер зерна.

4. Граница раздела.

5. Химический состав.

II. Какое из перечисленных утверждений неверно? В результате сплавления компонентов А  и  В сплав  может быть:

1) многофазным;

2) однофазным;

3) многокомпонентным;

4) твердым раствором;

5) химическим соединением.

III. Какой термин в следующем перечне является лишним?

1. Химический элемент.

2. Фаза.

3. Химическое соединение.

4. Компонент.

5. Твердый раствор.

IV. Какое из перечисленных утверждений неверно?

По сравнению с твердыми растворами  химические соединения в металлических сплавах:

1) более твердые;

2) имеют постоянный химический состав;

3) менее пластичны;

4) имеют определенную температуру плавления;

5) имеют бóльшую ударную вязкость.

V. Какой из перечисленных факторов является определяющим в формировании механических свойств сплавов?

1. Форма кристаллов.

2. Размеры кристаллов.

3. Микроструктура.

4. Относительное количество кристаллов различных фаз.

5. Их взаимное расположение.


раздел 2. Влияние химического состава

и термической обработки на структуру

и свойства железоуглеродистых сплавов

Можно считать (конечно, с некоторым преувеличением), что рассмотренные  в предыдущих темах «Опорного конспекта» темы составляют основу материаловедения. Ниже знание этих основ будет использовано для изучения влияния химического состава на структуру и свойства сталей и чугунов – основных материалов промышленности (свыше 90% всех применяемых материалов в машиностроении). Особый интерес представляет влияние структурных превращений при термической обработке на механические свойства сталей.

Изучение этих вопросов позволит наглядно продемонстрировать взаимосвязи материаловедения (см. рис. В.1): химический состав - структура - внешние воздействия - свойства.

Тема 2.1. Стали и чугуны (влияние химического состава на структуру и свойства  железоуглеродистых сплавов)

2.1.1. Диаграмма состояния «железо–цементит». Формирование равновесной структуры углеродистых сталей

При сплавлении железа с углеродом (С) образуется карбид железа Fe3C , называемый цементитом6, он содержит 6,67 % С.

Промышленные сплавы железа с углеродом содержат до  4 % С, поэтому их структуру изучают с помощью диаграммы состояния «железо–цементит» (Fe–Ц), т.е. компонентами данной системы являются Fe и Fe3C (рис. 2.1.1).

На этом рисунке обозначены фазы во всех областях диаграммы, а под рисунком указаны структуры сплавов с различным содержанием углерода при нормальных температурах.

Рис. 2.1.1. Диаграмма состояния «Железо-цементит»: внизу под диаграммой – обозначения структур сплавов с различным содержанием углерода при нормальных температурах

На диаграммах состояния верхняя система линий (в данном случае ABCD)  называется линией ликвидус (лат. – жидкий), выше нее любой сплав находится в жидком состоянии. На рис. 2.1.1. Ж – жидкая фаза (расплав) - жидкий раствор С в Fe.

Система линий диаграммы непосредственно под ликвидусом (в данном случае AHJECF) называется линией солидус (лат. – твердый), ниже нее любой сплав – в твердом состоянии.

В системе Fe-Fe3C существуют три твердые  (кристаллические) фазы: цементит – химическое соединение ( на диаграмме его однофазная «область»  - линия – DFKL) и твердые растворы С в Fe – аустенит (область GNJES) и феррит (0GPQ). Наличие двух твердых растворов является следствием полиморфизма железа – его способности существовать в двух модификациях (α и γ) при различных температурах (см. раздел 1.2.1). В интервале температур 0…911 оС, а также 1392…1539 оС  это α–Fe (или Feα) с ОЦК решеткой7,  в интервале 911…1392 оС железо имеет  ГЦК решетку – это γ–Fe (или Feγ).

Соответственно при сплавлении железа с углеродом  образуются два твердых раствора внедрения С в Fe: феррит (Ф) – раствор С в α–Fe и аустенит (А) – раствор С в γ–Fe.

Из диаграммы Fe–Ц (см. рис. 2.1.1) видно, что окончательная структура (при нормальных температурах) практически всех сплавов (правее т. Q, т.е. >0,01 %С) формируется из двух фаз: Ф и Ц.

Феррит – твердый раствор на основе  α–Fe, содержащий < 0,02 %С, очень мягкая (твердость НВ 800) и пластичная  (относительное удлинение δ 30 %) фаза.

Цементит – карбид железа, напротив, очень тверд (НВ80008) и  хрупок 0 %). Такие характеристики Ф и Ц обусловливают существенную зависимость механических свойств железоуглеродистых сплавов от содержания С  (см. ниже, тему 2.1.2).

До сих пор были обсуждены только однофазные области диаграммы FeЦ. На рис. 2.1.1 показаны также двухфазные области (заметим, что из логических соображений в любой двухфазной области находятся те фазы, которые расположены слева и справа от данной области).

В конце темы 1.3 отмечалось, что свойства сплавов зависят не только от фазового состава, но и от конкретной структуры сплавов. Чтобы установить структуру сплава, нужно проследить, какие  превращения происходят  в нем при медленном охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры.

Рассмотрим этот процесс на примере сталей – сплавов с содержанием углерода от 0,02 до 2,14 % С.

Формирование равновесной9 структуры углеродистых10 сталей

в процессе кристаллизации

Из диаграммы Fe–Ц (см. рис. 2.1.1) следует, что все стали в результате затвердевания (т.е. непосредственно ниже линии солидус NJBE) приобретают однофазную аустенитную структуру  (А).

Видно также, что при дальнейшем охлаждении они пересекают ряд линий диаграммы, значит в них происходят  превращения в твердом состоянии. Эти превращения вызваны явлением полиморфизма железоуглеродистых сплавов (а также уменьшением растворимости С в А (линия ЕS) и Ф (линия PQ) с понижением температуры). Как следует из диаграммы Fe–Ц, эти превращения в сталях заканчиваются на линии PSK (727 оС), т.к. ниже этой температуры какие – либо критические линии отсутствуют.

На примере стали, содержащей 0,8 %С (т. S), видно, что  превращение, происходящее при Т 727 оС, заключается в распаде аустенита на смесь феррита и цементита:

                                            охл.

А S      Фр + Ц ,                                                     (2.1)

где индексы S и Р показывают содержание С в аустените и феррите соответственно (в цементите оно не указывается, т.к. при любой температуре  равно

6,67 %С).

Такое превращение, когда при постоянной температуре из одной твердой фазы образуются две другие (при фиксированных составах фаз) называется эвтектоидным.

В железоуглеродистых сплавах эвтектоидное превращение (2.1) называется перлитным, поскольку в результате него образуется перлит - чередующаяся смесь тонких кристаллов (пластинок) феррита и цементита – структура, напоминающая перламутровый (жемчужный) узор раковин.

В зависимости от содержания С углеродистые стали делятся на

доэвтектоидные (0,02…0,8 %С), эвтектоидные (0,8 %С), заэвтектоидные (0,8…2,14 %С).

Из приведенного выше обсуждения очевидно, что равновесная структура эвтектоидной стали перлит (см. рис. 2.1.2 в).

Рис. 2.1.2. Структура технического железа (а), доэвтектоидной (б),

эвтектоидной (в), заэтвектоидной (г) сталей

В доэвтектоидных сталях помимо перлита (П) в структуре содержатся кристаллы избыточного11  феррита, образовавшиеся из аустенита при охлаждении между линиями GS и PS (рис. 2.1.2 б).

В заэвтектоидных сталях перлитному превращению предшествует выделение вторичного цементита (Ц)12 из аустенита, поскольку предельное содержание С в А уменьшается с понижением температуры (по линии ES). Поэтому структура заэвтектоидных  сталей состоит из зерен перлита, разделенных сеткой кристаллов ЦII (см. рис. 2.1.2 г).

Таким образом, основной структурной составляющей углеродистых сталей в равновесном состоянии является перлит (см. рис. 2.1.2). Эвтектоидная сталь содержит одну структурную составляющую (П), все остальные стали по две: доэвтектоидные П + Ф, заэвтектоидные П + ЦII.

В сплавах, содержащих < 0,02 %С (левее т. Р, см. рис. 2.1.1), перлит в структуре отсутствует, т.к. в процессе охлаждения они не пересекают линию перлитного превращения (PSK). Эти сплавы называются техническим железом в отличие от химически чистого Fe, представленного на диаграмме Fе – Ц вертикалью ANG0). Структура технического Fе феррит (хотя в сплавах, содержащих  0,01…0,02 %С присутствует небольшое количество третичного цементита – ЦIII).

Заметим, что несмотря на разнообразие структур13, (обусловленное тем, что сплавы с разным содержанием углерода пересекают при охлаждении различные линии диаграммы Fe –Ц), фазовый состав сплавов, содержащих >0,01%С, одинаков – Ф + Ц.

2.1.2. Зависимость механических свойств

железоуглеродистых сплавов от содержания углерода

Из диаграммы Fe–Ц (рис. 2.1.1) следует, что структуры практически всех (>0,01 %С) сплавов при нормальных температурах формируются из двух фаз – феррита (Ф) и цементита (Ц). Механические свойства этих фаз приведены выше на стр. 66.

Очевидно, что с увеличением содержания углерода в структуре сплавов возрастает количество твердого и хрупкого Ц и уменьшается количество мягкого, пластичного Ф. Твердые частицы Ц повышают сопротивление сплава пластической деформации (см. темы 1.2.2,  1.2.3). Поэтому с увеличением содержания углерода растут твердость (НВ) и прочность (в) сплавов, падают их пластичность (, ) и ударная вязкость (CU) – рис. 2.1.3.

В теме 1.1 отмечалось, что и прочность  (в) и твердость (НВ) характеризуют сопротивление материала пластической  деформации. Поэтому между

в  и  НВ существует закономерная связь

в = аНВ,                                                                (2.2)

где а = const, отличающаяся для различных сплавов (для сталей а  0,3).

    

Рис. 2.1.3. Зависимость механических свойств        углеродистых сталей в равновесном состоянии

от содержания углерода

С этим связана одинаковая линейная зависимость в и НВ от содержания углерода. Однако, как видно из рис. 2.1.3, в сплавах, содержащих > 0,8 %С, прочность при растяжении падает, а твердость продолжает расти. Это обусловлено охрупчивающим влиянием сетки Ц в заэвтектоидных сталях14, которое не сказывается при измерениях твердости, т.к. при этом работает не все сечение образца (как при определении в), а лишь локальная область под индентором (см. тему 1.1).

Таким образом, зависимость в = f(С), показанная на рис. 2.1.3, - наглядное проявление "красной нити" материаловедения: состав – структура - свойства (вспомним Введение).  

2.1.3. Классификация и маркировка углеродистых сталей

В теме 2.1.1 фактически представлена классификация углеродистых сталей по равновесной структуре, это: доэвтектоидные стали (структура Ф + П), эвтектоидные (П) и заэвтектоидные (П +Ц).

Однако для потребителя более важной является классификация по назначению, поскольку она определяет возможность использования той или иной стали для конкретных изделий. Основой такой классификации является зависимость механических свойств сталей от содержания углерода, показанная на рис. 2.1.3.

Видно, что достоинством сталей с большим содержанием углерода         ( 0,7 %С) является высокая твердость, поэтому такие стали относятся  к группе инструментальных (т.к. основное требование для большинства видов инструмента – именно высокая твердость). Маркировка этих сталей У7, У8, У10,…, У13 (ГОСТ 1435–90), где цифры показывают содержание углерода в десятых долях %.

Конструкционные стали используют для разнообразных по назначению  изделий, работающих при сложных, в том числе, динамических нагрузках. Такие стали должны обладать  оптимальным сочетанием прочности и ударной вязкости, поэтому, в основном, это мало – и среднеуглеродистые стали1. Они подразделяются на стали обыкновенного качества общего назначения (марки Ст0, Ст1, Ст2,…, Ст6 ГОСТ 380–94) и качественные конструкционные стали (марки 08, 10, 15, 20, 25,…, 40, 45,…85 ГОСТ 1050–88).

Содержание углерода в сталях обыкновенного качества изменяется от

0,1 % до 0,5 % и в среднем возрастает с увеличением цифры в марке (соответственно изменяются свойства согласно рис. 2.1.3). Из этих сталей обычно изготавливают малонагруженные изделия, не подвергаемые упрочняющей термической обработке.

В марках качественных конструкционных сталей цифры показывают содержание углерода в сотых долях % (например, в стали 45…0,45 %С). Эти стали применяют для ответственных  изделий, которые для получения оптимальных механических свойств подвергаются упрочняющей термической  обработке, состоящий из закалки и отпуска (см. ниже тему 2.2).

2.1.4. Структура и свойства чугунов

Сплавы, содержащие 2,14 %С (правее т. Е на диаграмме «железо-цементит», см. рис. 2..1), называются чугунами.

Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии  с диаграммой Fe-Ц, называются белыми (из-за светлого оттенка излома, обусловленного  большим количеством цементита в структуре).  Из диаграммы Fe-Ц следует, что затвердевание этих сплавов происходит при Т 1147 оС непосредственно ниже линии солидус ЕCF в результате превращения

                                                                                      охл

Жс     АЕ + Ц.                                                        (2.3)

Такое превращение (затвердевание жидкой фазы в смесь двух твердых при фиксированном составе фаз и постоянной температуре) называется эвтектическим1, а образующаяся  смесь кристаллов – эвтектикой (греч. – «легко плавящаяся» – из диаграммы Fe-Ц видно, что чугуны имеют наименьшую температуру плавления среди железоуглеродистых сплавов).

Эвтектика в белых чугунах называется ледебуритом (по фамилии исследователя – Ледебура). В момент образования (см. (2.3)) она состоит из аустенита и цементита, но при Т 727 оС аустенит превращается в перлит (напомним, что РSК – линия эвтектоидного – перлитного превращения, см. (2.1)). Поэтому при нормальных температурах ледебурит (Л) – сложная структурная составляющая; представляет собой светлую цементитную основу с темными включениями перлитных зерен.

По структуре белые чугуны делятся на доэвтектические (2,14…4,3 %С) со структурой Л+П+Ц, эвтектические (4,3 %С) – Л и заэвтектические (4,3…6,67 %С) – Л+Ц.

Наличие легкоплавкой эвтектики (ледебурита) в белых чугунах обеспечивает их высокие литейные свойства.

Механические же свойства этих сплавов можно оценить, экстраполировав зависимости, показанные на рис. 2.1.3, на содержание углерода 2,14 %.

Видно, что белые чугуны обладают очень высокой твердостью, но низкими значениями пластичности, ударной вязкости и прочности, что является следствием большого количества цементита в структуре (о свойствах Ц – в разделе 2.1.1). Поэтому белые чугуны как конструкционные материалы не используются.

На практике в качестве дешевых литейных конструкционных материалов широко применяются серые чугуны.

Принципиальное отличие  структуры серых чугунов от белых в том, что углерод в них находится не в химически связанном состоянии (т.е. в виде Fe3C – цементита), а в свободном – в виде включений графита17 различной формы.

Уровень механических свойств серых чугунов зависит от двух основных структурных факторов:

1) формы (и количества) графитных включений,

2) структуры металлической основы.

По первому признаку эти сплавы делятся:

1) на собственно серые чугуны (СЧ), в которых  графит имеет форму длинных заостренных пластин. Разновидностью этих чугунов являются модифицированные СЧ, в которых пластинки графита мелкие и имеют завихренную форму;

2) высокопрочные чугуны (ВЧ) с шаровидным (глобулярным) графитом;

3) ковкие чугуны (КЧ) с хлопьевидным графитом.

Структура металлической основы любого из этих чугунов может быть одного из трех видов: феррит (Ф), феррит+перлит (Ф+П) и перлит (П).

В табл. 2.1 в качестве примера приведены некоторые марки и механические свойства различных видов серых чугунов.

Таблица 2.1

Классификация, маркировка и механические свойства

различных видов серых чугунов

             

Марка чугуна

в,

МПа

(кгс/мм2)

,

%

Структура  

металличес-

кой основы

 Форма    

графитных

включений

С е р ы е  ч у г у н ы  (ГОСТ 1412-85)

СЧ 10

100(10)

0

Ф

СЧ 18

180(18)

0

Ф+П

СЧ 30

модифицированный

300(30)

0

П

СЧ 45

450(45)

0

П

В ы с о к о п р о ч н ы е   ч у г у н ы  (ГОСТ 7293-85)

ВЧ 38

380(38)

17

Ф

ВЧ 45

450(45)

5

Ф+П

ВЧ 120

1200(120)

2

П

К о в к и е   ч у г у н ы  (ГОСТ 1215-79)

КЧ 30-6

300(30)

6

Ф

КЧ 45-6

450(45)

6

Ф+П

КЧ 80-1,5

800(80)

1,5

П

Очевидно, что механические свойства чугуна данного вида (т.е. с определенной формой графитных включений) определяются структурой металлической основы, т.к. от феррита к перлиту увеличивается содержание углерода, соответственно растут твердость и прочность, падают пластичность и ударная вязкость (см. рис. 2.1.3).

Свойства чугунов с данной структурой металлической основы зависят от формы графитных включений. Наихудшая форма графита в СЧ, т.к. острые концы пластин при нагружении являются очагами зарождения микротрещин. Особо низкий комплекс механических свойств получается, если пластин графита так много и они настолько длинны, что разобщают металлическую основу (матрицу) чугуна (см. табл. 2.1).

По сути любые серые чугуны  представляют собой углеродистые доэвтектоидные (Ф+П), эвтектоидные (П) стали или техническое железо (Ф) (см. тему 2.1.1) с включениями графита. Очевидно, что графит уменьшает прочность и пластичность металлической основы. Поэтому чугуны имеют более низкие механические свойства по сравнению с углеродистыми сталями. Однако от сталей они отличаются  более высокими литейными свойствами, низкой стоимостью, нечувствительностью к дефектам поверхности, демпфирующими и антифрикционными свойствами.

Итак в данной теме (2.1) было показано, как изменяется структура и механические свойства промышленных железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов) в зависимости от содержания углерода. Наиболее важным пунктом этой темы являются зависимости механических свойств, представленные на рис. 2.1.3, поскольку они являются основой классификации сталей по назначению.

Следует, однако, подчеркнуть, что приведенный на этом рисунке комплекс механических свойств соответствует сталям в равновесном18 состоянии (т.е. со структурами, формирующимися по диаграмме состояния Fe-Fе3C).

На практике все ответственные стальные изделия подвергают специальной упрочняющей термической обработке, в результате которой качественный характер зависимостей механических свойств от содержания углерода (рис. 2.1.3)  сохраняется, но количественные показатели вследствие структурных превращений существенно изменяются.

Таким путем добиваются улучшения механических свойств сталей с данным содержанием углерода (т.е. различных марок; например, твердость эвтектоидной стали У8 можно повысить в 4 раза).

Обсуждение явлений, происходящих  в процессе упрочняющей термической обработки сталей, – следующая тема 2.2.

Внимание!

Раздел 2.1 - первый раздел «Опорного конспекта», посвященный конкретным промышленным сплавам – углеродистым сталям и чугунам (наиболее применяемым материалам машиностроения). Особое внимание следует обратить на зависимость структуры и механических свойств сталей от содержания углерода, а также на структурные превращения, происходящие в сталях при их медленном охлаждении от высоких температур. Важно усвоить, что окончательная структура сталей формируется в результате перлитного превращения (АФ + Ц при t ≤ 727 оС), обусловленного явлением полиморфизма в этих сплавах.

В следующей теме 2.2 будет показано, как влияет ускоренное охлаждение стали из аустенитного состояния на ее структуру и механические свойства. Происходящие при таком охлаждении процессы реализуются при закалке сталей, являющейся первым этапом упрочняющей термической обработки.

Заметим также, что знание материала темы 2.1 необходимо для выполнения контрольных работ. Учитывая все это, рекомендуем помимо изучения данной темы выполнить лабораторные работы 4 и 5 (или хотя бы ознакомиться с их содержанием), а также не забыть про вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки к теме 2.1

1. Попробуйте начертить по памяти диаграмму состояния Fe-Fe3C (без левого верхнего угла) и указать характерные критические температуры и концентрации углерода, соответствующие различным группам сплавов.

2. Охарактеризуйте фазы, присутствующие в углеродистых сталях и белых чугунах. Каковы механические свойства этих фаз?

3. Какова причина наличия двух твердых растворов углерода в железе?

4. Укажите фазы в двухфазных областях диаграммы.

5. Какое превращение формирует окончательную структуру углеродистых сталей?

6. Каковы концентрационные интервалы (по содержанию С) и структуры эвтектоидной, до – и заэвтектоидных сталей?

7. Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в равновесном состоянии; что она собой представляет?

8. Каково содержание углерода в эвтектическом, до  - и заэвтектических белых чугунах? Каковы их структуры?

9. Нарисуйте по памяти (качественно) зависимость механических свойств железоуглеродистых сплавов от содержания углерода. Объясните ее.

10. На чем основана классификация углеродистых сталей по назначению? Приведите несколько марок сталей различного назначения, укажите содержание в них углерода.

11. Почему белые чугуны не используют в качестве конструкционных материалов?

12. От каких структурных факторов зависят механические свойства серых чугунов?

13. Назовите различные виды серых чугунов. На чем основана эта классификация? Какова маркировка этих сплавов?

14. Опишите структуру наиболее прочного (теоретически) из всех разновидностей серых чугунов.

Промежуточные тесты к теме 2.1

I. Каково максимальное (теоретически) содержание углерода в сталях (в %)?

1.  6,67.

2.  0,8.

3.  2,14.

4.  1,2.

5.  4,3.

II. Укажите все кристаллические фазы, присутствующие в железоуглеродистых сплавах:

1) перлит;

2) феррит;

3) цементит;

4) ледебурит;

5) аустенит.

III.  Укажите номера всех типовых структур металлической основы различных видов серых чугунов:

1) феррит;

2) ледебурит;

3) феррит + перлит;

4) ледебурит + цементит первичный;

5) перлит.

IV. Наличием какой фазы в структуре серые чугуны отличаются от белых?

1. Аустенит.

2. Графит.

3. Цементит.

4. Перлит.

5. Феррит.

V. Какой химический элемент преобладает в сталях?

1. Углерод.

2. Хром.

3. Железо.

4. Никель.

5. Кислород.

VI. С какой из перечисленных структур чугун должен обладать наибольшей прочностью?

1. Шаровидный графит (Г) + феррит (Ф).

2. Шаровидный Г + перлит (П).

3. Пластинчатый Г + П.

4. Хлопьевидный Г +Ф + П.

5. Хлопьевидный Г + Ф.

VII. Из каких фаз формируется равновесная структура углеродистых сталей и белых чугунов при нормальных температурах?

1. Аустенит.

2. Феррит.

3. Цементит.

4. Ледебурит.

5. Перлит.

VIII. Как изменяются твердость и пластичность углеродистых сталей  с увеличением содержания в них углерода?

1. Твердость и пластичность растут.

2. Твердость и пластичность падают.

3. Твердость растет, пластичность падает.

4. Твердость падает, пластичность, пластичность растет.

5. Твердость растет, пластичность не изменяется.

IX. Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в равновесном состоянии при комнатной температуре?

1. Феррит.

2. Цементит вторичный.

3. Перлит.

4. Аустенит.

5. Ледебурит.

X. По каким из перечисленных характеристик  серые чугуны выгодно отличаются от углеродистых сталей?

1. Антифрикционные свойства.

2. Стоимость.

3. Литейные свойства.

4. Прочность.

5. Пластичность.

XI. Какой из перечисленных материалов обладает наибольшей пластичностью?

1. Эвтектоидная сталь.

2. Доэвтектоидная сталь.

3. Ковкий чугун на ферритной основе.

4. Доэвтектический белый чугун.

5. Техническое железо.


тема 2.2. Упрочняющая термическая обработка

сталей  (влияние структурных превращений

при закалке и отпуске на свойства стали)

В предыдущей теме 2.1 был сделан важный вывод о том, что механические свойства углеродистых сталей  определяются количеством содержащегося в них углерода.

Свойства стали с данным содержанием углерода могут изменяться в широких пределах в результате термической обработки.

Для получения оптимальных механических свойств все ответственные стальные изделия из качественных углеродистых и, тем более, легированных19 сталей обязательно подвергаются упрочняющей термической обработке, состоящей из закалки и отпуска.

2.2.1. Закалка ( превращения в стали при охлаждении)

Закалка – это нагрев стали до аустенитного состояния, выдержка и последующее ускоренное охлаждение со скоростью V Vкр (Vкр – «критическая  скорость закалки», см. ниже) с целью максимального повышения твердости и прочности. Подчеркнем сразу, что эффективное упрочнение стали при закалке обусловлено явлением полиморфизма этих сплавов (см. тему 2.1.1).

Обсудим последовательность структурных превращений, происходящих в стали в процессе закалки, на примере эвтектоидной стали (0,8 %С). Для удобства обсуждения на рис. 2.2.1 показан «стальной угол» диаграммы «железо – цементит» (ср. с рис. 2.1.1).

Исходная структура эвтектоидной стали - перлит20 - эвтектоидная смесь кристаллов феррита и цементита (см. рис. 2.1.2), в сокращенной записи – П(Ф+Ц).

Рис. 2.2.1. «Стальной угол» диаграммы «железо–цементит»

А1, А3, Асm – общепринятые обозначения критических линий

При нагреве сталей под закалку в них происходят превращения, обратные тем, которые были рассмотрены в теме 2.1.1. Так эвтектоидная сталь при            t > А1 (727 оС) приобретает однофазную аустенитную структуру, т.е.                                   

П (Ф + Ц) А.

В теме 2.1.1 отмечалось, что  при последующем охлаждении аустенит при t ≤ А1, становится неустойчивым и распадается на смесь феррита и цементита, т.е.

А (0,8 %С) Ф (0,02 %С) + Ц (6,67 %С).                     (2.2.1)

Время начала и конца этого распада дается «диаграммой изотермического превращения переохлажденного аустенита («С – диаграмма») –       рис. 2.2.2.

Левая С – образная линия на рис. 2.2.2 характеризует время (τ) начала, а правая – конца распада аустенита на смесь Ф и Ц (2.2.1) в зависимости от температуры изотермической выдержки. Для удобства обозначим эти линии буквами «н» и «к» соответственно.

Рис. 2.2.2. Диаграмма изотермического превращения

переохлажденного аустенита эвтектоидной стали21 (а) и характеристики перлитных структур (б)

Слева от линии «н» аустенит может какое-то время сохраняться в переохлажденном (относительно критической температуры А1=727оС), а значит неравновесном, неустойчивом состоянии. Правее линии «к» распад аустенита (2.2.1) завершается.

Степень дисперсности  (величина, обратная размеру зерна) образующейся в результате ферритоцементитной смеси (Ф+Ц) зависит от конкретной температуры t, при которой происходит распад переохлажденного аустенита, или, что то же – от степени его переохлаждения

t = А1t.                                                              (2.2.2)

С понижением температуры распада (увеличением ∆t) быстро уменьшается скорость диффузионного роста образующихся кристаллов, т.е. происходит измельчение ферритоцементитной смеси, соответственно возрастает ее твердость.

В связи с этим принято различать три структуры перлитного типа: перлит, сорбит, троостит22. Они имеют одинаковое строение (это смеси пластинок Ф и Ц), но отличаются степенью дисперсности, а значит и твердостью.

На рис. 2.2.2,б приведены усредненные характеристики (d - средняя толщина пластинок Ф и Ц, HRCэ  - твердость) перлитных структур в эвтектоидной стали.

Все эти структуры получаются в результате превращения перлитного типа (2.2.1). Его протекание вызвано полиморфизмом железа и сплавов на его основе – сталей. Характерной чертой этого превращения является его диффузионный механизм (благодаря высоким температурам ≈ 500…720оС и достаточно длительным временным выдержкам). Это видно из реакции (2.2.1), где несовпадение химического состава участвующих фаз означает активную диффузию атомов углерода.

На практике различные типы перлитных структур получают обычно не при изотермических выдержках, а при непрерывном охлаждении стали из аустенитного состояния с различными скоростями23. Степень дисперсности образующихся при этом феррито-цементитных смесей (и соответственно, тип перлитной структуры) зависит от величины скорости охлаждения V. Эта зависимость отчетливо проявляется, когда на С – диаграмму наносят кривые охлаждения t=f(τ), наклон которых характеризует величину скорости охлаждения, так как

V = .                                                          (2.2.3)

Очевидно, что на рис. 2.2.3  V1<V2<V3< V4. Из рисунка следует, что чем больше скорость охлаждения, тем при более низкой температуре происходит распад переохлажденного аустенита, тем более дисперсной и твердой получается перлитная структура: при скорости V1 – перлит, V2 – сорбит, V3 – троостит.

Видно также, что при скорости VV4 аустенит не успевает превратиться ни в одну из перлитных структур, так как при таком быстром охлаждении «проскакивает» область высоких температур, в результате его диффузионный распад на феррит и цементит становится невозможным.

Рис.2.2.3. Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита (эвтектоидная сталь) с нанесенными на нее скоростями охлаждения

tm и m – температура и времи минимальной устойчивости переохлажденного аустенита

Минимальная скорость охлаждения, при которой не происходит распада аустенита на смесь Ф+Ц, называется критической скоростью закалки Vкр (она характеризуется наклоном линии V, касательной к кривой начала распада  А на  Ф и Ц, т.е. Vкр = V4).

Таким образом при охлаждении стали со скоростью V ≥ Vкр (закалке, см. начало темы 2.2.1) аустенит переохлаждается до таких низких температур, где диффузия атомов практически отсутствует. Если бы стали не обладали полиморфизмом, закалка приводила бы к сохранению аустенитной структуры24. Наличие полиморфизма вызывает γ→α превращение аустенита, но, в отличие от перлитного превращения, бездиффузионным мартенситным путем при охлаждении в интервале Мн…Мк (температуры начала и конца мартенситного превращения соответственно, см.  рис. 2.2.3).

Равновесная α–фаза в сталях – это феррит – твердый раствор  углерода в α–железе, содержащий  ≤0,02 %С25.  Из-за бездиффузионного характера мартенситного превращения содержание углерода  в исходной  γ–фазе (аустените) и конечной α–фазе должно быть одинаково. Но, так как  в аустените углерода гораздо больше (0,8 %), в результате закалки α–фаза оказывается пересыщенной углеродом; она называется мартенситом.

Таким образом, мартенсит, как и феррит – твердый раствор углерода в α–Fe, но в отличие от феррита он пересыщен углеродом.

Вследствие этого пересыщения решетка мартенсита становится тетрагональной (в отличие от ОЦК решетки феррита – рис. 2.2.4), она характеризуется двумя параметрами с и а; очевидно, что степень тетрагональности  >1. 

    

Рис. 2.2.4. Кристаллические решетки   феррита и мартенсита

Образование мартенсита с тетрагональной решеткой приводит к появлению сильных внутренних напряжений, резкому повышению плотности дислокаций и степени дисперсности структуры, соответственно значительно возрастает твердость и прочность (вспомни пути повышения прочности, раздел 1.2.2 и 1.2.3). Очевидно, что действие  перечисленных упрочняющих факторов тем эффективнее, чем больше углерода в стали, так как возрастает степень пересыщения решетки мартенсита углеродом, увеличиваются степень тетрагональности и внутренние напряжения. Поэтому твердость закаленной стали (мартенсита) растет с увеличением содержания в ней углерода – рис. 2.2.5.

Рис. 2.2.5. Влияние содержания углерода на твердость стали в закаленном и отожженном состояниях. Для сравнения наряду с твердостью мартенсита (М) приведены значения твердости перлита (П), сорбита (С), троостита (Т) эвтектоидной стали

На этом же рисунке для сравнения приведены твердости перлитных структур в эвтектоидной стали (из данных рис. 2.2.2,б), а также зависимость твердости сталей в отожженном состоянии от содержания углерода (из рис. 2.1.3).

Из рис. 2.2.5 отчетливо видно, что:

1) степень упрочнения стали в результате закалки (характеризуется разницей между двумя зависимостями HRCэ = f(С)) возрастает пропорционально содержанию в ней углерода;

2) мартенсит – самая твердая из всех структур, которые могут быть получены из переохлажденного аустенита. Это основное достоинство мартенсита (закаленной стали), но, к сожалению, он обладает повышенной хрупкостью, которая растет с увеличением содержания углерода в стали. Поэтому после закалки на мартенсит стали необходимо подвергать отпуску, главная цель которого повышение пластичности и ударной вязкости закаленной стали.

2.2.2. Отпуск (превращения в закаленной стали при нагреве)

Мартенсит, получаемый в результате закалки неравновесная, неустойчивая структура, поэтому он может длительно сохраняться лишь при достаточно низких температурах (≤ 100…150 оС), где диффузия атомов несущественна.

При нагреве закаленной стали в докритическом интервале температур (t1=727 оС) в ней развиваются диффузионные процессы, постепенно приближающие структуру и свойства стали к равновесному состоянию – это процессы отпуска.

Структура и свойства стали при отпуске зависят от температуры нагрева. Соответственно различают три вида отпуска: низкий (≈200 оС), средний (≈400 оС), высокий (≈600 оС).

При низком отпуске существенных изменений в структуре еще не происходит (структура - мартенсит отпуска), лишь уменьшается степень тетрагональности, частично снимаются внутренние напряжения, незначительно понижается твердость и повышается пластичность. Низкий отпуск применяют в тех случаях, когда от изделий в первую очередь  требуется высокая твердость (режущий, измерительный и холодноштамповый инструмент, детали шариковых подшипников, шестерни после цементации и т.п.).

При среднем отпуске избыточный углерод в виде мельчайших частиц цементита практически полностью покидает решетку мартенсита. Решетка мартенсита обезуглероживается и превращается в ОЦК решетку феррита (степень тетрагональности   = 1).

В результате образуется феррито – цементитная смесь, называемая трооститом отпуска. Твердость и прочность заметно понижаются, повышается ударная вязкость. Такая структура при твердости HRCэ 35…45 обеспечивает наибольшую упругость стали, поэтому средний отпуск обычно применяют для пружин, рессор, мембран, ударного инструмента.

При высоком отпуске изменений в фазовом составе (Ф+Ц) уже не происходит (см. диаграмму Fe–Ц), но развиваются диффузионные процессы укрупнения и округления частиц цементита, что сопровождается дальнейшим снижением прочности и твердости, повышением пластичности и ударной вязкости. Соответствующая структура называется сорбитом отпуска.

Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она применяется для ответственных изделий (валов, рычагов, зубчатых колес и т.п.), изготавливаемых из среднеуглеродистых (0,3…0,5 %С) улучшаемых сталей, так как обеспечивает в этом случае наилучший комплекс механических свойств – максимальную ударную вязкость при достаточно высокой прочности. Высокие механические свойства сорбита отпуска обусловлены малыми размерами и округлой формой частиц цементита (в отличие от сорбита закалки, в котором острые концы пластинок цементита играют роль концентраторов напряжений, способствующих зарождению микротрещин).

На рис. 2.2.6 в качестве примера показано изменение механических свойств стали 45 в зависимости от температуры отпуска.

Рис. 2.2.6. Зависимости механических свойств закаленной стали от температуры отпуска (сталь 45)

Заметим, что с повышением температуры отпуска свойства приближаются к значениям, соответствующим отожженному (равновесному) состоянию, но не достигают их даже при высоком отпуске (в частности, сохраняется более высокая твердость и прочность).

Очевидно, что правильный выбор температуры отпуска позволяет сформировать окончательную структуру и комплекс механических свойств, обеспечивающих успешную работу изделия данного назначения.

Внимание!

В начале этой темы (2.2) отмечалось, что все ответственные стальные изделия должны проходить упрочняющую термическую обработку, состоящую из закалки и отпуска. Поэтому данная тема  с точки зрения и теории и практики – одна из наиболее важных в курсе материаловедения. Соответствующие знания совершенно необходимы для выполнения как первой, так и второй части контрольной работы, посвященной выбору материалов для изделий различного назначения. Поэтому изучению материала данной темы нужно уделить особое внимание. Все явления, касающиеся термической обработки сталей, входят и в обязательный перечень экзаменационных вопросов. Рекомендуется также выполнить лабораторную работу 6 и, конечно, ответить на вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки к теме 2.2

1. Из каких этапов состоит упрочняющая термическая обработка сталей?

2. Что такое закалка сталей? Какова ее цель?

3. Нарисуйте диаграмму изотермического превращения переохлажденного  аустенита эвтектоидной стали; объясните смысл ее линий.

4. Что такое критическая скорость закалки (Vкр)? Как определяется ее величина?

5. Какую структуру и механические свойства приобретает сталь при охлаждении со скоростью V ≥ Vкр?

6. Какие структуры получаются в стали при охлаждении со скоростями V<Vкр? Что у них общего, чем отличаются?

7. В чем принципиальное отличие мартенситного превращения от перлитного?

8. В чем причина высокой твердости мартенсита? Как зависит твердость закаленной стали от содержания в ней углерода?

9. Каков недостаток стали после закалки?

10. Что такое отпуск, какова его цель?

11. Перечислите виды и режимы отпуска.

Как изменяются структура и свойства закаленной стали с повышением температуры отпуска?

12. Что такое «улучшение»? Какие стали (и изделия) ему подвергаются?

Промежуточные тесты к теме 2.2

I. Какая обработка стальных изделий называется «улучшением»?

1. Закалка.

2. Закалка + низкий отпуск.

3. Высокий отпуск.

4. Закалка + высокий отпуск.

5. Шлифовка поверхности.

II. Какая фаза должна обязательно присутствовать в стали при температуре ее нагрева под закалку?

1. Мартенсит.

2. Цементит.

3. Феррит.

4. Аустенит.

5. Перлит.

III. Какая структура обеспечивает максимальную твердость доэвтектоидной стали?

1. Перлит + феррит.

2. Троостит.

3. Мартенсит отпуска.

4. Мартенсит.

5. Сорбит отпуска.

IV. Какую структуру должна иметь ответственная деталь из среднеуглеродистой стали, работающая при динамических (ударных) нагрузках?

1. Мартенсит.

2. Феррит + перлит.

3. Мартенсит + цементит вторичный.

4. Мартенсит отпуска.

5. Сорбит отпуска.

V. Полная закалка – это закалка стали из однофазного аустенитного состояния.  Какая  структура  получается  при  полной  закалке  доэвтектоидных  сталей?

1. Мартенсит + цементит вторичный.

2. Мартенсит.

3. Феррит + перлит.

4. Мартенсит +феррит.

5. Аустенит.

VI. Для заэвтектоидных сталей применяют закалку из двухфазного состояния (неполную). Какую  структуру должна иметь сталь У10 после такой закалки?

1. Перлит + цементит вторичный (П + Ц II).

2. Мартенсит (М).

3. Аустенит + ЦII.

4. М + ЦII.

5. М + феррит.

VII. Как изменяются прочность (в) и ударная вязкость (KCU) с повышением температуры отпуска?

1.   в и KCU увеличиваются.

2.   в растет, KCU падает.

3.   в падает, KCU растет.

4.   в не изменяется, KCU растет.

5.   в и KCU уменьшаются.

VIII.  Какое из перечисленных утверждений  неверно?

Высокая твердость стали с мартенситной структурой обусловлена:

1) высокой плотностью мартенсита;

2) дисперсностью структуры;

3) пересыщением решетки мартенсита углеродом;

4) большим количеством дислокаций;

5) наличием сильных внутренних напряжений.


тема 2.3.  Влияние легирования на структуру  

и свойства сталей

В предыдущих темах 2.1 и 2.2 изучались структура и свойства  углеродистых сталей, в составе которых помимо железа и углерода, (теоретически 0,02…2,14 %С – см. диаграмму «железо–цементит», рис. 2.1.1; практически 0,05…1,5 %С) содержится лишь небольшое количество (≤ 1,5 %) металлургических примесей. Их механические свойства определяются содержанием углерода и могут целенаправленно изменяться в широких пределах посредством структурных превращений, вызываемых термической обработкой.

Оптимальный комплекс механических свойств достигается завершающей термической обработкой стальных изделий, состоящей из закалки и отпуска. Высокий уровень механических  свойств углеродистых сталей в термически упрочненном состоянии позволяет использовать их для широкого  круга изделий различного назначения (деталей и инструмента). Эти стали технологичны (хорошо свариваются и обрабатываются давлением и резанием) и экономичны, поэтому на их долю приходится около 80 %  общего объема производства сталей.

Однако существенным недостатком углеродистых сталей является их невысокая прокаливаемость  (≤ 12 мм) – способность приобретать мартенситную структуру при закалке на определенную глубину изделия (подробнее в разделе 2.3.2). Это ограничивает размеры (сечение) изделий, упрочняемых термической обработкой.

Этот недостаток устраняется легированием  стали. Сталь, в которую специально, в определенных концентрациях вводятся примеси – легирующие элементы – называется легированной.        

Введение даже небольшого количества легирующих элементов влияет на температуры и кинетику (скорость) фазовых превращений и, соответственно, на режимы термической обработки сталей. Значительное легирование специальными элементами может привести к качественному изменению структуры и свойств сталей (появлению особых физико-механических свойств).  

2.3.1. Классификация легированных сталей по структуре

Структура и свойства легированных сталей зависят не только от содержания углерода, но также от индивидуальных особенностей и количества легирующих элементов.

  1.  Влияние легирующих элементов

на полиморфизм железа (классификация

сталей по равновесной структуре)

В углеродистых сталях температуры полиморфных превращений (критические точки G и N в железе, см. рис. 2.1.1; в сталях их принято обозначать А3 и А4 соответственно) зависят от содержания углерода в соответствии с диаграммой «Железо–цементит».

Легирующие элементы, растворяясь в α и γ–модификациях Fe, влияют на положение критических точек (А3 и А4), что в свою очередь определяет область существования α–фазы (феррита) и γ–фазы (аустенита) – рис. 2.3.1.

Рис. 2.3.1. Влияние легирующих элементов (л.э.) на полиморфизм железа и структуру легированных сталей

Видно, что элементы I группы повышают А4 и понижают А3, соответственно сужая область α–фазы и расширяя γ–область (рис. 2.3.1,а). Из таких элементов наибольшее практическое значение имеют  Ni и Mn (подобным образом влияет и углерод – см. диаграмму «Железо–цементит», рис. 2.1.1).

Элементы II группы снижают А4, повышают А3, в результате расширяется область α–фазы (рис. 2.3.1,б). В основном это элементы, имеющие ОЦК решетку подобно α–Fe (Cr, W, V, Mо, Ti и др.).

Видно, что, если содержание легирующих элементов превышает концентрацию х, то стали при любой температуре имеют аустенитную (рис. 2.3.1,а) либо ферритную (рис. 2.3.1,б) структуры. Обычно это стали, которые в результате сильного легирования приобретают особые свойства, например, коррозионностойкие стали аустенитного и ферритного классов.

Очевидно, что такие стали при закалке не претерпевают мартенситного    (γ → α) превращения и значит не упрочняются термической обработкой (закалка+отпуск, см. раздел 2.2).

В разделе 2.1 обсуждалась классификация  углеродистых сталей по равновесной структуре: доэвтектоидные (структура феррит+перлит), эвтектоидные (перлит) и заэвтектоидные (перлит+вторичный цементит26).

В легированных сталях помимо этих трех классов возможны  также стали  с аустенитной и ферритной структурами. Как отмечалось, такое принципиальное изменение структуры качественно изменяет свойства высоколегированных сталей.

2.3.1.2.  Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита и температуру

мартенситного превращения

(классификация сталей по структуре нормализации)

Остановимся на двух важных закономерностях, проявляющихся при легировании   сталей.

1. Очевидно, что по сравнению с углеродистыми сталями диффузионная подвижность атомов в легированных сталях подавлена и в тем большей степени, чем выше концентрация легирующих элементов.

Поэтому все легирующие элементы (кроме Со) замедляют скорость диффузионного распада аустенита Ф+П, см. раздел 2.2.1), т.е. увеличивают время его минимальной устойчивости ( min) и соответственно смещают  вправо линии С – диаграммы (см. ниже рис. 2.3.3).

2. Все легирующие элементы (кроме Co и Al), подобно углероду (рис. 2.3.2), снижают (в различной степени) температуры начала (Мн) и конца (Мк) мартенситного превращения.

Рис. 2.3.2. Влияние содержания углерода на температуры начала (Мн) и конца (Мк) мартенситного превращения

Обе эти тенденции (смещение линий С – диаграммы и температур Мн и Мк) отражены на рис. 2.3.3. На этом же рисунке проведены линии Vохл., наклон которых характеризует скорость охлаждения образцов стали из аустенитного состояния на спокойном воздухе (такая термическая обработка называется нормализацией).

Этот рисунок поясняет классификацию сталей по структуре нормализации.

Видно, что при относительно небольшом количестве легирующих элементов (рис. 2.3.3,а) охлаждение на воздухе  приводит к распаду аустенита на ферритокарбидные смеси (перлитному превращению, см. разд.  2.2.1); такие стали относят к перлитному классу (их большинство, так как из-за небольшого легирования они наиболее дешевы).

При повышенном содержании легирующих элементов (рис. 2.3.3,б)

Vохл. Vкр., а так как Мн  20 оС, нормализованная сталь при комнатной температуре приобретает мартенситную структуру – это стали мартенситного класса. 

При большом содержании легирующих элементов (особенно Ni, Mn) Мн сдвигается в область отрицательных температур, поэтому после нормализации сталь сохраняет аустенитную структуру (аустенитный класс).

Очевидно различие механических свойств сталей, принадлежащих к этим трем  структурным  классам.


2.3.2. Влияние легирующих элементов

на критическую скорость

закалки и прокаливаемость стали

В начале темы 2.3 отмечалось, что существенным недостатком углеродистых сталей является их пониженная прокаливаемость. Напомним, прокаливаемость – это способность стали приобретать мартенситную структуру на определенную глубину при закалке в данном охладителе.

Величину прокаливаемости обычно оценивают критическим диаметром (Dкр)максимальным диаметром образца, приобретающим мартенситную структуру по всему сечению при закалке в данном охладителе.

Поскольку основное требование закалки на мартенсит (см. раздел 2.2.1) Vохл Vкр , то прокаливаемость зависит от соотношения скорости охлаждения Vохл и критической скорости закалки Vкр, величина которой определяется химическим составом стали.

Очевидно, что скорость охлаждения образца (изделия) уменьшается от поверхности к сердцевине (рис. 2.3.4).

Рис. 2.3.4. Распределение скорости охлаждения (Vохл) по сечению образца при закалке (заштрихована закаленная зона с мартенситной структурой)

Если в сердцевине образца Vохл < Vкр, это приводит к несквозной закалке. При несквозной прокаливаемости в поверхностном слое образуется мартенсит, в сердцевине (где Vохл < Vкр) пластинчатые структуры перлитного типа (например, сорбит закалки).В результате возникает неоднородность механических свойств по сечению детали, которая сохраняется и после отпуска. Например, после высокого отпуска в поверхностном слое получится сорбит отпуска ("зернистый сорбит"), а структура сердцевины не изменится и будет иметь пониженные механические свойства (о чем говорилось в конце темы 2.2.2). Например, ударная вязкость улучшенной (закалка + высокий отпуск) стали 45 с диаметром образца 10 мм (сквозная закалка) составляет KCU = 1 МДж/м2, а  при   = 100 мм (несквозная прокаливаемость) KCU = 0,5 МДж/м2.

Поэтому для ответственных изделий должны применяться стали со сквозной прокаливаемостью.

Из рис. 2.3.4 очевидно, что основной путь повышения прокаливаемости –  это уменьшение Vкр. В предыдущем разделе (2.3.1.2) говорилось о том, что легирование приводит к смещению линий С- диаграммы вправо (см. рис. 2.3.3), а это означает уменьшение Vкр (напомним, что величина Vкр определяется наклоном касательной к кривой начала распада аустенита на феррито-карбидные смеси, см. стр. 84 ).

Как отмечалось выше, все легирующие элементы (кроме Со) замедляют скорость распада переохлажденного аустенита и соответственно уменьшают Vкр , причем тем сильнее, чем больше их количество в стали. Поэтому, чем больше диаметр изделия, тем более легированную сталь нужно применять для получения сквозной прокаливаемости.

Помимо повышения прокаливаемости легирование играет и еще одну  важную положительную роль, так как., снижая   Vкр, позволяет производить более «мягкую» закалку по сравнению с углеродистыми (нелегированными ) сталями. Если для получения мартенсита в углеродистых сталях их необходимо охлаждать очень быстро в воде (Vохл ≈ 600 оС/с), то в легированных тот же результат может быть достигнут при более медленном охлаждении в масле (Vохл≈150 оС/с) или даже  (для некоторых высоколегированных, например, быстрорежущих сталей) на воздухе (V охл. ≈ 3…30 оС/с).

Существенное снижение Vохл. при закалке легированных сталей уменьшает опасность возникновения закалочных трещин и коробления изделий.

Справедливости ради остановимся на примере отрицательного влияния легирования, усложняющего технологию термической обработки изделий.

Выше (раздел 2.3.1.2) отмечалось, что подобно углероду все легирующие элементы (кроме Со и Al) снижают температуру начала (Мн) и конца (Мк) мартенситного превращения.

Если в стали данного химического состава температура Мк опускается ниже комнатной, то при закалке (закалочная среда при t = 20 оС) часть аустенита сохраняется, не превращаясь в мартенсит, - это «остаточный аустенит».

Согласно рис. 2.3.2 он появляется в структуре закаленных углеродистых сталей, содержащих ≥ 0,5 %С и его количество возрастает с увеличением содержания углерода (пропорционально заштрихованному на рис. 2.3.2 интервалу ∆t = 20 оС – Мк).

Поскольку легирующие элементы дополнительно снижают Мн и Мк (особенно эффективно Mn, Cr, Ni) то в закаленных легированных сталях сохраняется много остаточного аустенита.

Остаточный аустенит ухудшает механические и эксплуатационные свойства изделий, поэтому для его устранения применяют «обработку холодом» - охлаждение изделий сразу после  закалки до температур, возможно близких к Мк. Для этого используют, например, жидкий аммиак (-33 оС), жидкий азот

(- 196 оС) и другие охлаждающие среды.27

Обработку холодом используют главным образом для деталей типа шестерен, режущих и измерительных инструментов, изготавливаемых из высоколегированных сталей.

Заметим, что в некоторых случаях остаточный аустенит играет положительную роль, уменьшая деформацию изделий при закалке (например, длинномерного режущего и измерительного инструмента).

2.3.3. Классификация по назначению и маркировка

легированных сталей

В разделе 2.1.3 отмечалось, что основой классификации углеродистых сталей по назначению (конструкционные и инструментальные) является зависимость их механических свойств от содержания углерода (рис. 2.1.3). Эта тенденция сохраняется в общих чертах и для подавляющего большинства, т.е. наиболее дешевых, мало – и среднелегированных сталей (это стали перлитного класса, см. разд. 2.3.1).

Высокоуглеродистые ( ≥0,7 %С) легированные стали – инструментальные, стали с меньшим содержанием углерода -  конструкционные.

Наиболее многочисленные группы конструкционных сталей – это цементуемые (0,10…0,25 %С) и улучшаемые (0,30…0,50 %С). 

Цементуемые стали применяются в основном для деталей типа шестерен, которые после цементации (диффузионного насыщения поверхности изделия углеродом), закалки и низкого отпуска приобретают высокую твердость и износостойкость наружного слоя (структуру высокоуглеродистого мартенсита) и сохраняют  хорошую вязкость сердцевины, препятствующую хрупкому разрушению зубьев шестерни.

Улучшаемые стали используются для ответственных нагруженных изделий, работающих при динамических нагрузках, которые для получения оптимального сочетания прочности и ударной вязкости подвергают улучшениюзакалке и высокому отпуску (см. разд. 2.2.2).

В марках конструкционных сталей число в начале марки указывает содержание углерода в сотых долях процента (как в качественных углеродистых конструкционных сталях). Далее следуют легирующие элементы, которые обозначаются русскими буквами, обычно – первыми в названии элемента. Например, Cr буквой  Х,  Ni – Н,  Ti – Т,  V – Ф,  Co – К,  Mo – М,  W – В, но есть и  исключения: В – Р,  Al – Ю,  Si – С,  Mn – Г; буква А в конце марки означает сталь высокого качества (в таких сталях ограничено количество вредных примесей S и  Р ≤ 0,025 % каждого из этих элементов).

Цифры после каждой буквы указывают содержание данного элемента в процентах, если цифра отсутствует, то среднее количество этого элемента1 %. Например, в стали 18Х2Н4МА – в среднем  0,18 % С;  2 % Cr,  4 % Ni,  1% Мо,  ≤ 0,025 % S  и  ≤ 0,025 % Р.

В таблице 2.3.1 для примера приведены химический состав, механические свойства и критический диаметр Dкр (соответствует максимальному рабочему сечению детали) некоторых цементуемых и улучшаемых конструкционных сталей (ГОСТ4543–71). Механические свойства цементуемых сталей даны после закалки и низкого отпуска, улучшаемых – после закалки и высокого отпуска (т.е. в улучшенном состоянии).

Помимо цементуемых и улучшаемых к конструкционным принадлежат также:

1) строительные (низколегированные ) стали, содержащие до 0,2 %С и небольшое количество недорогих легирующих элементов (обычно до 2...3 %Мn  и Si), 09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 17ГС и др. Они используются в машиностроении, строительстве, магистральных газо – и нефтепроводах и т. п.; обладают хорошей свариваемостью, малой склонностью к хрупким разрушениям, хладостойкостью. Изделия из этих сталей обычно не подвергаются термической обработке.

2) рессорно-пружинные стали содержат 0,5…0,7 %С и небольшое количество легирующих элементов (Mn, Si, V); например, 50С2, 60СГ, 60С2ХФА, 70С3А и др. После закалки и среднего отпуска (на структуру троостит отпуска) приобретают   высокий    предел    упругости   и   предел   текучести   σ0,2   до

1200…1700 МПа; применяются в транспортном и станкостроении для рессор, пружин, различных упругих элементов.

3) подшипниковые стали содержат 0,95…1,05 %С, 0,4…1,7 %Cr,         1,7 %Mn, 0,85 %Si; например, ШХ6, ШХ15, ШХ15ГС и др. Буква Ш обозначает шарикоподшипниковую сталь, цифры – содержание Cr  в десятых долях процента.

После закалки и низкого отпуска эти стали имеют структуру мартенсита с включениями мелких вторичных карбидов, обладают высокой твердостью (62…64 HRCэ) и износостойкостью; применяются для деталей подшипников качения.

Основная цель легирования этих сталей – повышение прокаливаемости (см. разд. 2.3.2). Чем больше легирующих элементов, тем больше критический


Таблица 2.3.1

Химический состав, механические свойства и критический диаметр

некоторых конструкционных легированных сталей

Марка

стали

Содержание элементов,  %

Механические свойства

Dкр, мм

С

Mn

Cr

Ni

Другие элементы

σ0,2,

МПа

σв,

МПа

δ,

%

Ψ,

%

ΚСU,

МДж/м2

ЦЕМЕНТУЕМЫЕ

18ХГТ

0,17-0,23

0,8-1,1

1,0-1,3

-

0,03-0,09 Ti

900

1000

9

50

0,8

35

20ХГР

0,18-0,24

0,7-1,0

0,75-1,05

-

-

800

1000

9

50

0,8

40-60

25ХГМ

0,23-0,29

0,9-1,2

0,9-1,2

-

0,2-0,3 Mo

1100

1200

10

45

0,8

60-80

12Х2Н4А

0,09-0,15

0,3-0,6

1,25-1,65

3,25-3,65

-

950

1150

10

50

0,9

100-120

18Х2Н4МА

0,14-0,20

0,25-0,55

1,35-1,65

4,0-4,4

0,3-0,4 Mo

850

1150

12

50

1,0

≥ 120

УЛУЧШАЕМЫЕ

40Х

0,36-0,44

0,5-0,8

0,8-1,1

-

-

800

1000

10

45

0,6

25-35

30ХГС

0,28-0,35

0,8-1,1

0,8-1,1

-

0,9-1,2 Si

850

1100

10

45

0,4

50-75

40ХН2МА

0,37-0,44

0,5-0,8

0,6-0,9

1,25-1,65

0,15-0,25 Mo

950

1100

12

50

0,8

75-100

38ХН3МФА

0,33-0,4

0,25-0,5

1,2-1,5

3,0-3,5

0,35-0,45 Mo

0,1-0,18 V

1100

1200

12

50

0,8

≥ 100


диаметр закаливаемых деталей, тем более крупный подшипник может быть изготовлен из данной стали.

Помимо рассмотренных выше наиболее распространенных групп сталей к конструкционным относятся также высокопрочные, износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные стали, а также стали (и железосодержащие сплавы) с особыми физическими свойствами. С этими материалами (многие из них встречаются  в контрольных работах) можно ознакомиться в рекомендуемой учебной литературе [1…4, 8].

Теперь – несколько слов о классификации и маркировке инструментальных легированных сталей. Выше уже отмечалось, что к инструментальным  углеродистым и легированным сталям относятся в основном стали с большим содержанием углерода ( ≥ 0,7 %С), поскольку после закалки и низкого отпуска они должны обладать высокой твердостью (60…65 HRCэ) и износостойкостью. Это стали для режущего и измерительного инструмента (ГОСТ 5950–2000) большинство из них содержит небольшое количество легирующих элементов (в сталях повышенной прокаливаемости до ≈ 5 %). Цифры в начале марки этих сталей показывают содержание углерода в десятых долях процента, например,  в марках 9ХС, 11ХФ, 13Х – 0,9; 1,1 и 1,3 %С соответственно. Если среднее содержание углерода ≈ 1 %, то цифра в начале марки обычно отсутствует Х, ХВГ, ХВ4.

Наилучшими свойствами в группе сталей для режущего инструмента обладают быстрорежущие стали (ГОСТ 19265–73). В результате сильного легирования карбидосодержащими элементами – (W, Mo, Cr, V) они приобретают высокую теплостойкостьспособность сохранять высокую твердость (до 58 HRCэ) и износостойкость при длительном нагреве до ≈ 620 оС.

В марках этих сталей (Р18, Р6М3, Р6М5, Р9К5,…) после буквы Р (от англ. rapid – быстрый, скорый) число показывает содержание основного легирующего элемента W в процентах.

В результате сильного легирования в закаленных быстрорежущих сталях остается много (до 30 %) остаточного аустенита, поэтому для его устранения используют обработку холодом или трехкратный отпуск при t ≈ 560 оС (см. раздел 2.3.2). Твердость быстрорежущих сталей после такой термообработки 63…65 HRCэ. Инструмент из этих сталей используют для обработки на высоких скоростях резания, а также труднообрабатываемых материалов (например, высоколегированных коррозионностойких и жаропрочных сталей и сплавов с аустенитной структурой).

Помимо сталей для режущего и измерительного инструмента по назначению различают штамповые стали для холодного и горячего деформирования металлов.

Для холодного деформирования в первую очередь требуется высокая твердость инструмента, поэтому используются в основном те же стали, что и для режущего инструмента (ГОСТ 5950-2000) с содержанием углерода ≈ 1 % (Х, ХВСГ, Х6ВФ, Х12М), имеющие твердость 60…63 HRCэ после закалки и низкого отпуска. В тех случаях, когда от инструмента требуется повышенная вязкость (ударные нагрузки) используют стали с меньшим (0,5…0,7 %) содержания углерода (6ХВ2С, 7ХГ2ВМ).

В гораздо более тяжелых условиях работают стали штампов горячей обработки давлением. Их структуры, механические и эксплуатационные свойства не должны изменяться (ухудшаться) при нагревании до 400…600 оС. Помимо тепло – и окалиностойкости эти стали должны обладать разгаростойкостью устойчивостью к образованию поверхностных ("разгарных") трещин, стимулируемых многократными циклами нагрев охлаждение. Комплекс этих свойств достигается применением сталей с пониженным содержанием углерода (0,3…0,6 %С) – 3Х2В8Ф, 4Х5В2ФС, 5ХНМ, обрабатываемым на структуру троостита или сорбита отпуска (температура отпуска 500…630 оС) и твердость 42…50 HRCэ.

В заключение отметим, что данный раздел 2.3 содержит многочисленные примеры влияния химического состава (легирования) на структуру и свойства сплавов.

Внимание!

Освоив этот раздел28 (раздел 2.3) и не забыв, конечно, основные положения разделов 2.1 и 2.2, Вы делаете решительную заявку на вступление в «Клуб знатоков металловедения», способных выбирать стали (главные материалы промышленности!) для изделий различного назначения. В этом Вы убедитесь, ответив по традиции на вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки к теме 2.3

1. Какие стали называются легированными?

2. Как влияют легирующие элементы на полиморфизм железа? Сравните классификацию углеродистых и легированных сталей по равновесной структуре.

3. На какие классы делятся легированные стали по структуре нормализации? На чем основана эта классификация?

4. Что такое прокаливаемость? Какой характеристикой оценивают ее величину? Каков практический путь  повышения прокаливаемости?

5. Какова принципиальная связь  между размером (сечением) изделия и выбором марки используемой для него стали?

6. Что такое «остаточный аустенит»? Какова причина его появления?

7. Почему для изделий из легированных сталей часто применяют «обработку холодом», в чем она заключается?  Какова ее цель?

8. Перечислите наиболее распространенные группы конструкционных легированных сталей. Каков принцип их маркировки?

9. К какой группе принадлежит сталь 20ХГНР? Приведите ее химический состав и последовательность технологических операций, формирующих окончательную структуру типовых изделий из этой стали.

10. Приведите 2-3 марки улучшаемых сталей, расшифруйте их. Почему их так называют? Для какого типа изделий их обычно применяют? Какова окончательная структура таких изделий?


11. Какую сталь следует выбрать для изготовления нагруженных валов диаметром ≥ 100 мм?

12. Приведите марки и химические составы каких-либо рессорно-пружинных и подшипниковых сталей.

Какую термообработку применяют для соответствующих изделий? Какова окончательная структура этих изделий?

13. Приведите несколько марок  и химические составы сталей для режущего и измерительного инструмента. Какая термическая обработка применяется для такого инструмента, какова должна быть его структура?

14. Приведите марку стали для инструмента, используемого при обработке изделий на больших скоростях резания. Каково основное  достоинство таких сталей?

15.Приведите по 1-2 марки инструментальных сталей для холодного и горячего деформирования металлов, расшифруйте их. В чем принципиальное отличие химического состава и режимов термической обработки сталей этих двух групп?

Промежуточные тесты к теме 2.3

I. Укажите два химических элемента, ответственных за формирование структуры сталей аустенитного класса:

1) Mo;

2) Mn;

3) Cr;

4) Ni;

5) W.

II. Какое из перечисленных утверждений неверно?

Сквозной прокаливаемости можно добиться:

1) уменьшением критической скорости закалки;

2) уменьшением диаметра изделия;

3) уменьшением скорости охлаждения при закалке;

4) увеличением скорости охлаждения;

5) легированием стали.


III. В какой из перечисленных марок сталей после закалки будет наибольшее количество остаточного аустенита?

1. У 10.

2. 40Х.

3. Р6М5.

4. ХВГ.

5. 18Х2Н4МА.

IV. Какие операции (укажите их последовательность) необходимы для придания шестерни, изготовленной из стали 18ХГТ, оптимальных механических свойств?

1. Закалка.

2. Отжиг.

3. Высокий отпуск.

4. Низкий отпуск.

5. Цементация.

V. Какую структуру имеют изделия из улучшаемых сталей после стандартной термической обработки?

1. Мартенсит + цементит вторичный.

2. Мартенсит отпуска.

3. Сорбит отпуска.

4. Троостит.

5. Мартенсит + феррит.

VI. Какова структура деталей подшипников качения после грамотно проведенной термической обработки?

1. Мартенсит.

2. Мартенсит отпуска.

3. Перлит + вторичные карбиды.

4. Мартенсит отпуска + вторичные карбиды.

5. Троостит.

VII. Что такое теплостойкость сплава?

1. Способность выдерживать высокие температуры.

2. Способность не изменять размеры изделия при нагревании.

3. Способность сохранять высокую твердость при длительном нагреве.

4. Способность не окисляться при высоких температурах.

5. Жаропрочность.

VIII. Какую марку стали следует использовать для инструмента, обрабатывающего детали на больших скоростях резания?

1. 08.

2. У8.

3. ХВГ.

4. Р6М5.

5. У12.

IX. Какую сталь следует предпочесть для изготовления ответственных зубчатых колес сечением > 100 мм?

1. 40Х.

2. 45.

3. 30ХГСА.

4. 40ХН.

5. 36Х2Н2МФА.

X. Какая основная цель легирования большинства (т.е. наиболее экономичных) сталей?

1. Снижение стоимости.

2. Повышение твердости.

3. Повышение износостойкости.

4. Увеличение прокаливаемости.

5. Повышение ударной вязкости.


Заключение

Итак, изучив все темы 2–й части «Опорного конспекта», Вы можете наполнить «структурную схему материаловедения» (см. Введение, рис. В.1) конкретным содержанием (настоятельно рекомендуем сделать это, подобрав как можно больше примеров из освоенного материала конспекта).

На этом работа с «Опорным конспектом» заканчивается. В нем изложены основы строения металлических сплавов и на примере сталей – наиболее распространенных промышленных материалов – показаны эффективные пути оптимизации их свойств путем изменения химического состава и структуры. Таким образом, продемонстрированы «структурные связи материаловедения» (см. Введение), знание которых позволяет производить оптимальный выбор материалов и технологий их обработки для изделий различного назначения. Выработка такого умения является целью подготовки инженеров в области материаловедения.

Вынуждены с сожалением отметить, что проблема выбора материалов в процессе конструирования различных изделий является весьма сложной задачей. Ее решение зависит от грамотного учета множества факторов, определяющих эксплуатационные и технологические свойства материала, а также его стоимость и экономичность технологий изготовления и упрочняющей обработки изделия.

В связи с этим строгого алгоритма решения проблемы выбора материалов не существует. Каждый конструктор решает эту задачу, исходя из своего производственного опыта и знаний; знаний, в первую очередь, основных закономерностей материаловедения.

Наиболее полно круг вопросов, связанных с выбором материалов, освещен в учебной [1…3], а также [15, 17, 25, 27, 28] и специальной [32, 33] литературе.

В данном курсе и соответственно – настоящем УМК задача выбора материалов  естественно в более суженном формате поставлена во второй части  контрольной работы.

В методических указаниях к выполнению контрольных работ приведены рекомендации по решению этой задачи.

В заключение еще раз отметим, что темы «Опорного конспекта» являются наиболее важными в курсе материаловедения, их освоение совершенно необходимо для выполнения лабораторных и контрольных работ и, конечно, - сдачи экзамена.

Основные положения других разделов (см. тематический план и структурную схему дисциплины – стр. 31) также следует изучить, каждый раз обращая особое внимание на связь трех С: состав – структура – свойства. В частности, при выполнении контрольных работ понадобятся сведения о сталях и сплавах с особыми свойствами, цветных сплавах и других материалах.

Тема

Вопрос теста

Правильный ответ

1.1

I

4

II

3

III

4

IV

3

1.2

I

3

II

3

III

1

IV

4

V

5

1.3

I

3

II

3

III

4

IV

5

V

3

2.1

I

3

II

2, 3, 5

III

1, 3, 5

IV

2

V

3

VI

2

VII

2, 3

VIII

3

IX

3

X

1, 2, 3

XI

5

2.2

I

4

II

4

III

4

IV

5

V

2

VI

4

VII

3

VIII

1

2.3

I

2, 4

II

3

III

3

IV

5, 1, 4

V

3

VI

4

VII

3

VIII

4

IX

5

X

4

ОТВЕТЫ НА ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ТЕСТЫ


3.3. учебное пособие (электронный учебник)

Как отмечалось выше, темы «Опорного конспекта» обязательны для тщательного изучения, так как они составляют основу металловедения. Однако для полного освоения курса «Материаловедение», в частности решения некоторых задач контрольной работы, необходимо обращение к специальным разделам учебной литературы.

Достаточно полный список учебной и специальной (полезной при выполнении контрольных, курсовых и дипломных работ) литературы приведен на стр. 36…38. В случае затрудненного доступа к печатным изданиям в качестве «скорой помощи» на http://www.elib.nwpi.ru и http://metall-2006.narod.ru. предлагаются «электронные учебники».

В данном УМК базой для создания такого пособия («электронного учебника») послужили монографии [1] и [8]. Материал, содержащийся в [8], рекомендуется для изучения части 1 тематического плана дисциплины, а для освоения остальных его частей – разделы учебника [1].     


3.4. методические указания к выполнению

лабораторных работ

ВВЕДЕНИЕ

“Материаловедение” - одна из основных общеинженерных дисциплин. Инженер должен уметь правильно выбирать материал и технологию его обработки с целью получения заданной структуры и свойств, обеспечивающих высокую надежность и долговечность изделий различного назначения (деталей машин, приборов, конструкций, инструмента и др.).

Настоящие методические указания включают описание 13 лабораторных работ, посвященных главным образом строению и свойствам металлических сплавов – основных конструкционных материалов машино и приборостроения. Особое внимание уделено воздействию технологических факторов (термической обработки; обработки давлением) на структуру и свойства металлических материалов.

Обращаем Ваше внимание на то, что лабораторные работы – обязательный вид занятий, они выполняются индивидуально каждым студентом в лаборатории кафедры материаловедения СЗТУ (а.116, ул. Миллионная, д.6). Количество и тематика лабораторных работ выбирается преподавателем в зависимости от специальности и учебного плана группы студентов.

Основные цели методических указаний следующие:

1. Помощь студентам в усвоении и закреплении теоретического материала курса.

2. Практическое освоение методов изучения структуры металлических изделий и заготовок.

3. Выработка умения целенаправленного изменения структуры и свойств материалов путем внешних воздействий - термической обработки, пластической деформации.

4. Развитие навыков обработки и анализа полученных экспериментальных данных с использованием вычислительной техники.

Описание каждой работы включает разделы, позволяющие усвоить цель данной работы, методику ее выполнения и требования по оформлению отчета. Приведенные теоретические сведения достаточны для осознанного самостоятельного решения поставленных задач, поэтому обращение к дополнительной литературе не требуется. В случае возникновения затруднений следует проработать соответствующий материал по одному из рекомендуемых ниже учебников [1…4].

Работа 1

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ МЕТОДАМИ МАКРОСКОПИЧЕСКОГО И МИКРОСКОПИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

I.Цель работы

Ознакомление с методами макроскопического анализа и основами микроскопического анализа структуры металлических материалов. Приобретение навыков работы с металлографическим микроскопом.

II.Теоретическое обоснование

Изучение связи между строением (структурой) и свойствами материалов является основной задачей материаловедения. Понятие структуры включает в себя тип и относительное количество фаз, присутствующих в материале, форму, размеры и взаимное расположение кристаллов этих фаз, а также различные металлургические дефекты изделий (заготовок, образцов).

Некоторые из указанных характеристик структуры материалов можно изучать невооруженным глазом, другие - лишь с помощью микроскопа, соответственно, различают методы макроскопического и микроскопического анализа (макро- и микроанализа).

Основы макроанализа

Макроанализ - это анализ макроструктуры материалов, изучаемой невооруженным глазом или с помощью лупы (увеличение до 30 раз). Понятно, что такой метод исследования дает ограниченную информацию о структуре материала, однако, в силу его доступности и возможности одновременного изучения большой площади изделия, он широко применяется в заводской практике для контроля качества литых, кованых, сварных и термически обработанных заготовок и изделий.

Различают три способа изучения макроструктуры:

1 - осмотр контролируемой поверхности готового изделия (заготовки), это -неразрушающий метод контроля;

2 - изучение изломов контрольных образцов или разрушенных деталей;

3 - анализ структуры специально приготовленных образцов - макрошлифов.

С помощью первого вида макроанализа выявляются дефекты, расположенные на поверхности изделий: это трещины различной природы (литейные, деформационные, закалочные и др.), несплошности (усадочные пустоты, газовые раковины в литом металле), неметаллические включения (шлаковые, фрагменты литейной формы). Часто даже такой простой способ контроля позволяет сделать заключение о возможности дальнейшего использования изделия.

Более детальные сведения о материале дает изучение изломов - поверхностей разрушения образцов или изделий.

Различают два основных вида изломов: вязкий (волокнистый) и хрупкий (кристаллический).

Вязкий излом характеризуется матово-серым оттенком, обычно имеет неровную форму (выступы, впадины). Все эти признаки - следствие значительной пластической деформации, предшествовавшей разрушению металла.

В хрупком металле при разрушении отсутствует заметная пластическая деформация, оно происходит по границам зерен или плоскостям легкого скола внутри зерен. При этом поверхности разрушения остаются практически неповрежденными и хорошо отражают падающий свет. Поэтому хрупкий излом имеет зернистый рельеф, состоящий из множества блестящих граней (фасеток). Форма излома относительно ровная, без следов макроскопической деформации.

На практике часто наблюдаются смешанные изломы различного вида.

Хрупкое разрушение наиболее опасно,  так как возникает внезапно (без предварительной пластической деформации, сигнализирующей о начале нежелательного процесса) и распространяется с большой скоростью. Поэтому причины появления хрупкого излома должны быть тщательно проанализированы. При этом надо иметь в виду, что помимо низкой пластичности материала, выбранного для данного применения, хрупкому разрушению способствуют также низкие температуры эксплуатации, динамические (ударные) нагрузки и конструктивные погрешности - наличие в нагруженных местах изделия выточек, галтелей, отверстий, играющих роль концентраторов напряжений.

Возможной причиной хрупкого разрушения может быть также нарушение режима термической обработки или его неправильный выбор. Так, при завышенной температуре нагрева стали под закалку (“перегреве”) значительно укрупняется зерно, падает ударная вязкость. В этом случае хрупкий крупнозернистый излом имеет характерное “нафталинистое” или “камневидное” строение.

Вид излома позволяет определить прокаливаемость стали - способность ее закаливаться на определенную глубину. В закаленном (поверхностном) слое излом имеет очень мелкое зерно, он матовый, в незакаленной сердцевине строение излома более грубое - крупнозернистое или вязкое. По этой же причине изучение излома может быть использовано для контроля режима технологического процесса поверхностной закалки или химико-термической обработки - определения глубины упрочненного слоя. Закаленный и цементованный слои - мелкозернистые, заметно отличаются по виду от сердцевины.

Наиболее трудоемким, но и самым информативным методом макроанализа является изучение структуры и дефектов изделий с помощью макрошлифов. Заготовки для таких шлифов вырезают из изделия в определенном направлении, тщательно шлифуют и подвергают травлению. Реактив (травитель) наиболее активно реагирует с границами зерен, трещинами, порами, неметаллическими включениями. В результате на поверхности макрошлифа создается рельеф, выявляющий строение и  дефекты металла.

Анализ макрошлифов дает информацию о строении литого и деформированного металла и, соответственно, позволяет установить технологию изготовления изделий.

В зависимости от условий охлаждения жидкого металла в различных частях изложницы кристаллы приобретают определенные размеры и форму. Обычно различают корковую зону (1), зоны столбчатых (2) и равноосных (3) кристаллов (рис. 1.1).

               Вблизи стенок изложницы наибольшая скорость охлаждения расплава, соответственно, максимальная степень его переохлаждения и - наиболее мелкое зерно. После образования корковой зоны кристаллы преимущественно растут в направлении наилучшего теплоотвода,  т.е. перпендикулярно стенкам формы - так возникает зона столбчатых кристаллов. В последнюю очередь затвердевает центр слитка, когда степень переохлаждения расплава в нем достигает необходимого уровня. Здесь рост кристаллов происходит без преиму

щественного направления - образуется зона равноосных кристаллов.

Макроанализ шлифов позволяет установить также дефекты литого металла - усадочную раковину (4, рис. 1.1), пористость, межкристаллитные трещины и различные виды ликвации - неоднородности металла по химическому составу, структуре и неметаллическим включениям. Большинство дефектов литого металла сохраняется (видоизменяясь) в деформированном (кованом, катаном) металле.

Наличие этих дефектов существенно влияет на механические свойства изделий, поэтому для оценки характерных видов дефектов стального проката существуют стандартные шкалы (ГОСТ 10243-75).

При горячей обработке металлов давлением (ковке, прокатке, штамповке) кристаллы деформируются, вытягиваются вдоль направления деформации. В этом же направлении располагаются и неметаллические включения. Все это создает в деформированном металле слоистую, волокнистую структуру, отчетливо выявляемую на макрошлифах.

Свойства такого металла становятся анизотропными. Прочность, пластичность и ударная вязкость выше в образцах, вырезанных вдоль волокон.

Это необходимо учитывать при изготовлении ответственных деталей - для получения наилучших эксплуатационных свойств волокна не должны перерезаться контурами детали. Поэтому предпочтительными являются способы обработки металлов давлением (по сравнению с резанием).

Основы микроанализа

Микроанализ - исследование структуры материалов с помощью микроскопов. Большие увеличения позволяют определять в этом случае размеры, форму, взаимное расположение и количество кристаллов различных фаз,  т.е. микроструктуру материала.

Наибольшее распространение имеют оптические микроскопы. Их полезное максимальное увеличение достигает примерно 1500 раз, а разрешающая способность (наименьшее расстояние между двумя точками, при котором они видны раздельно) 0,2  мкм  (200 нм).

Поскольку металлы в видимом свете непрозрачны, для исследования их структуры в металлографическом оптическом микроскопе используется метод отражения падающего светового потока от специально подготовленной поверхности образца.

Образцы для таких исследований (микрошлифы) после тщательной полировки подвергаются травлению - воздействию специальными химическими реактивами. Травитель с разной интенсивностью реагирует с “телом” зерен и их границами, с различными фазами, структурными составляющими. В результате на полированной поверхности образца возникает микрорельеф, приводящий к избирательному отражению падающего светового потока и, соответственно, к формированию изображения микроструктуры изучаемого объекта  (см.рис. 1.2).

Принцип работы на оптических микроскопах различных конструкций одинаков, поскольку для получения четкого изображения структуры необходимо совместить поверхность микрошлифа с фокальной плоскостью объектива Расстояние между ними регулируется последовательно сначала макровинтом грубой настройки, а затем, когда изображение в окуляре обнаружено, окончательная фокусировка - микрометрическим винтом.                          

   В последующих работах оптический микроскоп будет широко применяться для анализа структуры сплавов в различных состояниях. В этой работе в качестве примера рассмотрим метод определения размера зерна в металле.

Размер зерна является важным параметром структуры, так как от него в значительной мере зависят механические свойства металла. Так, при прочих равных условиях мелкозернистый металл обладает большей прочностью, твердостью и ударной вязкостью, чем крупнозернистый.

Существуют различные способы определения величины зерна - для сталей они регламентированы ГОСТ 5639-82.

Наиболее простой – экспресс-метод визуального сравнения изображения с эталонными шкалами. На эталонных шкалах приведена микроструктура с различной величиной зерна, оцениваемой номером от 3 до +14. Основной диапазон микроструктур - с номером зерна от 1  до 10  (больший номер соответствует меньшему зерну) при увеличении 100.

Специально подготовленные для выявления зерна образцы изучают при 100кратном увеличении и сравнивают с эталонными шкалами. Отыскав аналог, определяют номер зерна. Если последний выходит за пределы 1...10 номеров, используют другие увеличения и данные табл. 1.1. Зная номер зерна (N), можно оценить количество зерен (n) на площади в 1 мм2  по формуле n = 2N+3, а также - среднюю площадь S=1/n и средний диаметр   зерна.

III. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с основными методами макроанализа.

2. Осмотреть образцы с дефектами, наблюдаемыми на поверхности изделий и заготовок. Установить возможную причину появления дефектов.

3. Изучить коллекцию изломов. Обратить внимание на характерные признаки вязкого и хрупкого изломов, описать их.

4. Изучить изломы образцов, прошедших предварительно поверхностную закалку либо цементацию. Сопоставить вид закаленной (либо цементованной) и незакаленной частей излома. Оценить приближенно глубину упрочненного слоя.

5. Изучить макрошлифы стальных слитков. Зарисовать и описать характерные особенности различных зон слитка.

6. Изучить макрошлифы деталей, прошедших цементацию. Зарисовать, оценить приближенно глубину цементованного слоя.

7. Изучить макрошлифы деталей, изготовленных методами обработки металлов давлением. Зарисовать один из них с указанием расположения волокон металла.

8. Ознакомиться с принципом работы оптического микроскопа и методикой изготовления микрошлифов.

9. С помощью эталонных шкал определить номер зерна на одном из микрошлифов.

IV. Содержание отчета

1. Основные методы изучения макроструктуры материалов.

2. Характерные признаки вязкого и хрупкого изломов. Описание излома стального образца с упрочненным поверхностным слоем (поверхностная закалка, цементация). Оценка глубины упрочненного слоя.

3. Рисунок макроструктуры стального слитка с описанием различных зон.

4. Рисунок макроструктуры детали, прошедшей цементацию. Оценка глубины цементованного слоя.

5. Рисунки макроструктуры детали, изготовленной методами обработки металлов давлением (ковка, штамповка) и резанием. Краткое изложение причины различия эксплуатационных свойств деталей, изготовленных по этим двум технологиям.

6. Краткое описание методики приготовления микрошлифов. Схема отражения светового потока от протравленной поверхности микрошлифа.

7. Зарисовка микроструктуры технического железа и результаты определения параметров зерна по методу сравнения с эталонными шкалами.

Литература: [1], с.7... 11, 33... 35, 77... 79, 162...165, или [3], с.69... 73 или [4], с.32,  33, 47... 49.

Работа 2

ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ И СТРУКТУРА
ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ

I. Цель работы

Ознакомление с основами построения и анализа диаграмм состояния. Использование диаграмм состояния для изучения процесса формирования структур сплавов и определения их химического состава по структуре.

II. Теоретическое обоснование

В работе 1 отмечалось, что свойства сплавов определяются их структурой. Сведения о структуре (микроструктуре) сплавов могут быть получены при анализе диаграмм состояния, которые являются графической формой описания фазовых равновесий (состояний) в сплавах различного химического состава при различных температурах.

То есть диаграммы состояния помогают установить связь между химическим составом, структурой и свойствами сплавов, что является основной задачей материаловедения. Поэтому умение анализировать диаграммы состояния и применять полученную информацию для оптимального выбора состава сплавов для конкретных назначений, а также способов и режимов их обработки является важнейшим условием освоения науки о материалах.

В последующих работах будут рассмотрены многочисленные примеры практического использования диаграмм состояния. В настоящей работе обсуждаются лишь основные приемы построения и анализа диаграмм состояния.

Диаграммы состояния строятся в координатах температура-химический состав. Для построения необходимо знать температуры фазовых превращений (“критические” точки) компонентов и сплавов промежуточного состава. Для определения критических точек обычно используют данные термического анализа - экспериментального построения кривых охлаждения (нагрева). Критические точки - это точки перегиба на этих кривых - результат выделения (или поглощения) скрытой теплоты фазового превращения.

Конкретный вид кривых охлаждения зависит от числа фаз, участвующих в превращении, и определяется  “правилом фаз”:

С = К  Ф+1,

где К - число компонентов, Ф - число фаз, находящихся в равновесии, С - число независимых переменных (число степеней свободы). Если, например, затвердевает химический элемент, то С=1-2+1=0, это значит, что “степени свободы” отсутствуют,  т.е. переменные - температура и химический состав - неизменны. Поэтому на кривой охлаждения t=f() должен быть горизонтальный участок, соответствующий постоянной температуре кристаллизации. Если затвердевает сплав - твердый раствор, то С=2-2+1=1  и, следовательно, кристаллизация протекает в интервале температур - на кривой t=f() имеются две точки перегиба.

На рис. 2.1  показан пример построения диаграммы состояния по

результатам термического анализа. Это случай неограниченной растворимости компонентов (А и В) в твердом состоянии. Соответственно любой сплав ниже линии солидус имеет однофазную структуру твердого раствора. Понятно, что химический состав твердого раствора в однофазной области совпадает с составом самого сплава.

Химический состав фаз в двухфазной области (в данном случае между линиями ликвидус и солидус), например, в сплаве состава Х при температуре tx определяется с помощью коноды - изотермы, проходящей через точку пересечения координат температура - состав сплава до границ данной двухфазной области (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Термический метод построения диаграмм состояния   

(случай неограниченной растворимости компонентов

в жидком и твердом состояниях)

Конода используется и для оценки относительных количеств фаз в двухфазной области. Так, на рис. 2.1  химический состав фазы определяется точкой m', а жидкой фазы - точкой n'; относительные количества этих фаз:

%,           %.

На рис. 2.2 показана диаграмма состояния для другого предельного случая, когда компоненты А и В абсолютно не растворяются друг в друге в твердом состоянии. Понятно, что тогда сплавы ниже линии солидус будут являться смесями кристаллов этих двух компонентов. Однако в зависимости от химического состава сплавы в такой системе могут иметь структуры трех типов.

Сплав, отвечающий составу точки d, называется эвтектическим, его структура - эвтектика - мелкодисперсная смесь кристаллов А и B, образующаяся при охлаждении в результате эвтектического превращения Жd А+В. В доэвтек- тических сплавах (состав в интервале между точками f и d) помимо эвтектики в структуре содержатся избыточные кристаллы А, образовавшиеся в процессе кристаллизации между линиями ликвидус и солидус (cd и fd). Соответственно

заэвтектические сплавы (интервал dg) имеют структуру В+эвт(А+В).

Зная из диаграммы химический состав эвтектики (количество компонента В на рис. 2.2 - N%, соответственно содержание компонента А=100%N%), и, изучив структуру сплава, можно по этим данным определить химический состав любого сплава.

Пусть, например, в заэвтектическом сплаве количество эвтектики в структуре составляет Qэ% (определяется с помощью микроскопа по относительной площади, занимаемой эвтектикой (помимо избыточных кристаллов В) в поле зрения окуляра). Тогда, используя пропорцию:

в 100 % эвтектики содержится (100 - N)% А

в Qэ % эвтектики  -  х %  А

определим содержание компонента А (а значит и В) в изучаемом сплаве.

III. Порядок выполнения работы

1. Снять экспериментальные кривые охлаждения сплавов системы  Pb-Sb различного состава.

2. По результатам анализа кривых охлаждения определить критические точки изучаемых сплавов. Занести эти точки, а также температуры превращений сплавов других составов данной системы (получить у преподавателя) в таблицу.

3. По данным таблицы построить диаграмму состояния Pb-Sb. Указать фазы в различных областях диаграммы. Установить типовые структуры сплавов данной системы.

4. Получив комплект микрошлифов, изучить микроструктуры сплавов системы Pb-Sb, зарисовать их, обозначить структурные  составляющие.

5. Для одного из микрошлифов (до или заэвтектического сплава) определить химический состав сплава по его структуре.

IV. Содержание отчета

1. Краткое изложение сути термического метода построения диаграмм состояния.  Принципиальная схема определения критических точек.

2. Таблица результатов определения критических точек сплавов системы Pb-Sb (экспериментальные и справочные данные).

3. Построение диаграммы состояния Pb-Sb по результатам термического анализа.

4. Рисунки микроструктур сплавов системы Pb-Sb различного состава с указанием структурных составляющих.

5. Определение химического состава до- или заэвтектического сплава системы Pb-Sb по его структуре.

Литература: [1], с.48...61, или [2],  c.87...95, или [3], с.168...178 или  [4],  c.100...113.

Работа 3

ВЛИЯНИЕ ХОЛОДНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

И ПОСЛЕДУЮЩЕГО НАГРЕВА НА СТРУКТУРУ

И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

1. Цель работы

1. Изучение влияния холодной пластической деформации на структуру и свойства металла.

2. Изучение влияния температуры нагрева на структуру и свойства холоднодеформированного металла.

II. Теоретическое обоснование

При нагружении тела (например, приложении растягивающего усилия Р  к образцу сечением S) в нем возникают напряжения (=Р/S). Напряжения вызывают деформацию - изменение размеров и, часто,  формы тела. Если напряжения невелики, то деформация будет упругой, исчезающей при снятии нагрузки. Если уровень возникающих напряжений превысит некоторую критическую величину, то возникает необратимая остаточная или пластическая деформация. В технике такой величиной считают предел текучести 0,2 - напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2 %.

В кристаллических телах пластическая деформация осуществляется последовательным перемещением дислокаций вдоль определенных плоскостей скольжения. Это вызывает сдвиг одних частей кристалла относительно других. В результате меняется форма зерен. При значительных деформациях зерна (а также неметаллические включения) вытягиваются в направлении преимущественной деформации - возникает волокнистая структура металла29.

Процессы сдвига, происходящие при деформировании металла, резко увеличивают количество дислокаций, а также точечных (вакансий, межузельных атомов) дефектов решетки. Значительное увеличение числа дефектов решетки (в первую очередь дислокаций) затрудняет дальнейшее скольжение дислокаций, повышает сопротивление металла пластической деформации, соответственно увеличивает его прочность и твердость, снижает пластичность.

Упрочнение металла в результате пластической деформации называется наклепом или нагартовкой.

Наклепанный металл обладает повышенным запасом внутренней энергии, поэтому находится в неравновесном (неустойчивом) состоянии. При нагреве такого металла до температур, при которых атомы приобретают достаточную подвижность, в его структуре протекают диффузионные процессы, приводящие к постепенному возвращению структуры и свойств к равновесному состоянию с минимальной энергией. Различают две основные стадии этих процессов - возврат и рекристаллизацию.

Возврат начинается при относительно небольших температурах и заключается в снятии искажений решетки, уменьшении остаточных напряжений и плотности дефектов решетки. В результате несколько снижаются прочность и твердость (на 10...30 %) и повышается  пластичность.                

         Рекристаллизация заключается в образовании новых равноосных зерен и их дальнейшем росте. При достаточно высокой температуре нагрева завершается формирование структуры и свойств, присущих недеформированному металлу, т.е. происходит его полное разупрочнение. Температура, при которой начинается процесс образования и роста новых недеформированных зерен, приводящий к резкому изменению свойств, называется температурой (или порогом) рекристаллизации (tр) - рис. 3.1.

Установлено, что величина tр зависит от температуры плавления металла

(tпл,)30 и степени чистоты металла ( через коэффициент а ):

                                 tр = аtпл .                                                        (3.1)

В чистых металлах а=0,1...0,2, в металлах обычной технической чистоты 0,3...0,4, в сплавах (твердых растворах) 0,5...0,6.

Из рис. 3.1 следует, что для полной ликвидации наклепа деформированный металл необходимо подвергать рекристаллизационному отжигу – нагреву до температур выше tр.

Очевидно что свойства деформированного металла будут зависеть от соотношения tр и температуры обработки давлением (tоб). Если tоб<tр , то такая обработка (пластическая деформация) вызывает наклеп и называется холодной. При tоб>tр изменения механических свойств практически не происходит, так как возникающий наклеп снимается вследствие протекающего одновременно процесса рекристаллизации - такая обработка давлением называется горячей. Для того, чтобы гарантировать полное разупрочнение и максимальную пластичность металла при горячей обработке, ее проводят при температурах, значительно превышающих tр (табл. 3.1).

III. Порядок выполнения работы

  1.  Произвести пластическое деформирование образца отожженной низкоуглеродистой стали с различными степенями деформации     %,        где h0 и h - высота образца в исходном и деформированном состояниях соответственно. Измерить твердость образца в исходном состоянии и при различных значениях q, данные занести в таблицу. Построить зависимость твердости (HRB) от степени пластической деформации.

       2. Изучить микроструктуру холоднодеформированного образца, зарисовать ее.

3. Образец с максимальной степенью пластической деформации отжечь при различных температурах. Температуры отжига выбрать, исходя из рис. 3.1 и табл. 3.1. После каждого отжига измерить твердость, данные занести в таблицу. Построить зависимость твердости от температуры отжига (t).

4. Используя полученную зависимость HRB=f(t), определить температуру рекристаллизации стали tр. Оценить tр стали по формуле (3.1), сравнить результат этой оценки с полученной экспериментальной величиной tр.

5. Изучить микроструктуру рекристаллизованного образца, зарисовать ее.

       6. Обработать полученные экспериментальные данные на PC с помощью Microsoft Excel.

IV. Содержание отчета

1. Определение холодной и горячей пластической деформации. Краткое описание изменений структуры и свойств, происходящих в металле при холодной пластической деформации.

2. Результаты измерений твердости образца низкоуглеродистой стали при различных степенях пластической деформации (таблица и график).

3. Микроструктура холоднодеформированного образца.

4. Краткое описание изменений структуры и свойств, происходящих в деформированном металле в процессе рекристаллизации. Определение температуры (порога) рекристаллизации (tр).

5. Результаты измерений твердости деформированного образца при различных температурах отжига (таблица и график).

6. Результаты оценок величины tр:

  1.   по формуле (3.1);
  2.   по полученным экспериментальным данным.

7. Микроструктура рекристаллизованного образца.

Литература: [1],  c. 69... 75, 81... 86, или [2], c. 122... 125, 131... 138,

или [4],  c. 55,  56, 58... 62, 76... 83.


Работа 4

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
И БЕЛЫХ ЧУГУНОВ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

I. Цель работы

Изучение микроструктуры железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии и влияния содержания углерода на их свойства.

II. Теоретическое обоснование

Сплавы железа с углеродом (стали и чугуны) являются основными материалами машиностроения.

Понятно, что их структура в равновесном состоянии должна изучаться с помощью диаграммы состояния железо-углерод. В зависимости от условий кристаллизации углерод в этих сплавах может находиться преимущественно в свободном состоянии (в виде графита), либо в виде химического соединения Fe3C – карбида железа, называемого цементитом. Соответственно различают диаграммы состояния железо-графит и железо-цементит. По первой диаграмме кристаллизуются серые чугуны (работа 5). По второй диаграмме происходит формирование структуры железоуглеродистых сплавов (сталей и белых чугунов) в обычных условиях довольно быстрого охлаждения расплава.

Диаграмма состояния железо-цементит приведена на рис. 4.1 (для наглядности рисунка масштаб несколько искажен).

Фазы в системе железо-цементит

Компонентами данной системы являются железо и цементит. Характерным свойством железа является его полиморфизм  - существование в двух модификациях и в различных температурных интервалах. В интервале температур от 0 до 911С (от 0 до точки G диаграммы), а также 1392...1539 С (N - A) существует модификация Fe (или -Fe) с ОЦК решеткой31. В интервале температур 911...1392 С  (G - N) железо имеет ГЦК решетку - это Fe (или -Fe). Соответственно при сплавлении железа с углеродом образуются твердые растворы внедрения углерода (С) в железе: феррит - раствор С в Fe и аустенит - раствор С в Fe , а также упомянутый выше цементит - карбид железа Fe3C.

Таким образом в системе железо-цементит имеются жидкая (Ж) и твердые (кристаллические) фазы - аустенит (А), феррит (Ф)32 и цементит (Ц).

Видно (рис. 4.1), что окончательная структура сплавов (при нормальных температурах) формируется их двух фаз - феррита и цементита.   

Рис. 4.1. Диаграмма состояния железо-цементит (внизу – обозначения структур сплавов с различным содержанием углерода при

нормальных температурах

Феррит - твердый раствор на основе Fe, содержащий <0,02 %С, очень мягкая (твердость НВ≤80033) и пластичная (относительное удлинение ≥40 %) фаза.

Цементит – химическое соединение Fe3C (6,67 %С)  - в отличие от феррита очень тверд (НВ8000) и хрупок (0 %). Такие характеристики феррита и цементита обусловливают существенную зависимость механических свойств железоуглеродистых сплавов от содержания углерода (см. ниже).

Структура железоуглеродистых сплавов

В зависимости от содержания углерода сплавы в процессе охлаждения из жидкого состояния пересекают разные линии диаграммы состояния и, соответственно, имеют различные структуры.

Основной структурной составляющей сплавов, содержащих 0,02...2,14 %С (это стали), является перлит. Перлит образуется в результате эвтектоидного превращения аустенита при t727 С  АsФp и представляет собой смесь чередующихся тонких пластинок феррита и цементита.

По содержанию углерода углеродистые стали делятся на доэвтектоидные (0,02...0,8 %С), эвтектоидные (0,8 %С) и заэвтектоидные (0,8...2,14 %С). Равновесная структура эвтектоидной  стали - перлит34. В доэвтектоидных сталях помимо перлита в структуре содержатся кристаллы избыточного феррита, образовавшиеся из аустенита при охлаждении между линиями GS и РS. В заэвтектоидных сталях зерна перлита разделены сеткой кристаллов вторичного цементита (ЦII), выделившихся из аустенита ниже линии ES вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените.

Сплавы, содержащие менее 0,02 % С (техническое железо), не содержат перлита в структуре. Их структура – феррит, либо (в сплавах 0,01...0,02 %С, т.е. ниже линии QP) - феррит и небольшое количество третичного цементита (ЦIII) по границам зерен.

Сплавы, содержащие более 2,14 %С - белые чугуны, в процессе кристаллизации пересекают эвтектическую горизонталь (ECF), следовательно основной составляющей их структуры является эвтектика. Эвтектика в чугунах называется ледебуритом, в интервале температур 1147...727 С он состоит из кристаллов аустенита и цементита, а при t<727 С - представляет собой светлую цементитную матрицу (основу) с темными включениями перлита.

Эвтектический белый чугун (4,3 %С) имеет структуру - ледебурит,        доэвтектические (2,14...4,3 %С) - ледебурит+перлит+цементит вторичный, заэвтектические (>4,3 %С)  - ледебурит+цементит первичный.

Зависимость механических свойств железоуглеродистых       

           сплавов от содержания углерода

Из диаграммы железо-цементит следует, что структуры практически всех сплавов (>0,01 % С) при нормальных температурах формируются из двух фаз -феррита и цементита. Очевидно, что с увеличением содержания углерода в структуре возрастает количество твердого и хрупкого цементита и уменьшается количество мягкого, пластичного феррита. Твердые частицы цементита повышают сопротивление сплава пластической деформации. Соответственно растут твердость (НВ) и прочность (в) сплавов, падают их пластичность (, ) и ударная вязкость (KCU) - рис. 4.2.

Рис. 4.2. Зависимость механических свойств углеродистых сталей в равновесном состоянии от содержания углерода

Такой характер зависимости механических свойств от содержания углерода является основой классификации сталей по назначению35. Стали с большим содержанием углерода (0,7 %С) имеют высокую твердость и относятся к группе инструментальных (марки У7, У8, У10, ..., У13, ГОСТ 1435-90). Низко- и среднеуглеродистые стали обладают оптимальным сочетанием прочности, пластичности, ударной вязкости и по назначению являются конструкционными. Они подразделяются на стали обыкновенного качества общего назначения (Ст0, Ст1, Ст2, ..., Ст6, ГОСТ 380-94) и качественные конструкционные стали (08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, ..., 8536 ГОСТ 1050-88).

III. Порядок выполнения работы

1. Нарисовать диаграмму железо-цементит, установить с ее помощью структуру сплавов с различным содержанием углерода.

2. Используя микроскоп, изучить структуры сплавов с различным содержанием углерода, зарисовать их. Отметить основные структурные составляющие технического железа, углеродистых сталей и белых чугунов. Проверить правильность зарисовки микроструктур с помощью электрифицированного стенда  “Диаграмма железо-цементит”.

3. При изучении структуры доэвтектоидной стали определить содержание в ней углерода по соотношению площадей, занимаемых перлитом и ферритом. Установить примерную марку изучаемой стали.

4. Измерить твердость (НRB) отожженных образцов сталей с различным содержанием углерода, с помощью Microsoft Excel построить соответствующую зависимость.

5. Нарисовать график зависимости механических свойств сталей в равновесном состоянии от содержания углерода (рис. 4.2). Дать объяснение этих зависимостей.

IV. Содержание отчета

1. Рисунок диаграммы состояния железо-цементит с указанием фаз в различных областях диаграммы, а также (см. рис. 4.1) - микроструктур сплавов с различным содержанием углерода.

2. Схематическое изображение микроструктур сплавов с различным содержанием углерода (7 рисунков). Против каждого рисунка указать название сплава, структурные составляющие и примерное содержание углерода.

3. Результаты определения содержания углерода в доэвтектоидной стали (по структуре) и ее примерной марки.

4. Результаты определения твердости сталей с различным содержанием углерода (таблица и график).

5. График зависимости механических свойств сталей от содержания углерода (рис. 4.2) и объяснение этих зависимостей.

Литература: [1], c. 118...129, 131...132, 256...258, или [2], c. 99...109, 237...250, или [3], c. 194...202, 204...210, или [4], c. 144...163, 174...177.

Работа 5

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СЕРЫХ ЧУГУНОВ

I. Цель работы

Изучение структуры и свойств различных типов серых чугунов.

II. Теоретическое обоснование

Чугуны - железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 %С. В  работе 4 изучалась структура белых чугунов. Их название и механические свойства обусловлены наличием большого количества цементита в структуре. По правилу отрезков в эвтектическом белом чугуне (структура - ледебурит) содержится % ≈ 64 % цементита. Цементит придает светлый оттенок излому (отсюда название) этих чугунов, делает их очень твердыми и хрупкими, не способными противостоять растягивающим, изгибающим и особенно ударным нагрузкам37. Поэтому их применение очень ограничено.

Широкое распространение в машиностроении имеют чугуны, в которых углерод находится преимущественно не в химически связанном состоянии (в виде цементита), а в свободном - в виде включений графита различной формы. Такие чугуны в отличие от белых называются серыми (по темному оттенку излома).

Механические свойства серых чугунов зависят от структуры металлической основы (матрицы), формы, размеров и количества графитных включений.

Структура металлической основы серых чугунов может быть трех типов: феррит, феррит+перлит, перлит. Понятно, что при прочих равных условиях чугун с перлитной основой более прочен и менее пластичен по сравнению с чугуном на ферритной основе (см. зависимость структуры и свойств железоуглеродистых сплавов от содержания углерода, работа 4).

Структурные особенности графитных включений (прежде всего их форма) зависят от способа получения чугунов и в значительной степени определяют их механические свойства. В связи с этим различают собственно серые (СЧ), высокопрочные (ВЧ) и ковкие (КЧ) чугуны.

Для получения серых чугунов должны быть созданы условия, при которых в процессе кристаллизации образовывались бы кристаллы графита, а не цементита (т.е. не получался бы белый чугун). Образованию графита (графитизации) способствуют два фактора: замедленное охлаждение и повышенное содержание графитообразующих элементов (С+Si)  - рис. 5.138.

Видно, что при низких скоростях охлаждения и определенном содержании (С+Si)39 процесс графитизации завершается полностью - весь углерод в чугуне находится в кристаллах графита (за исключением 0,01 %С, содержащегося в феррите).

Графит в серых чугунах имеет форму крупных заостренных пластин. Концы таких пластин являются концентраторами напряжений, очагами зарождения трещин в металлической матрице при нагружении. Особенно опасно, когда пластины графита настолько длинны, что образуют сплошную сетку. В связи с этим серые чугуны имеют низкий предел прочности и практически нулевую пластичность. Некоторое улучшение механических свойств может быть достигнуто путем модифицирования - введения в расплав порошкообразных примесей (модификаторов) ферросилиция или силикокальция. В результате пластинки графита измельчаются - повышается прочность, однако пластичность остается низкой (0,2...0,5 %). Поэтому серые чугуны применяются для литых изделий, работающих в основном на сжатие, либо при относительно небольших нагрузках (станины станков, блоки цилиндров, картеры двигателей, тормозные барабаны и т.п.).

Значительного улучшения механических свойств можно добиться, применяя модифицирование магнием или церием. В  этом случае включения графита принимают шаровидную форму. Округлые включения в гораздо меньшей степени создают опасную концентрацию напряжений, поэтому существенно повышается прочность и пластичность чугуна. Чугуны с изолированными шаровидными включениями графита называют высокопрочными. Высокопрочные чугуны используют для ответственных отливок в авто- и тракторостроении (коленчатые валы, поршни), тяжелом машиностроении (валки прокатных станов, детали кузнечно-прессового оборудования), химической промышленности (корпуса насосов, вентили).

Получение изделий из ковкого чугуна принципиально отличается от технологии производства отливок из серых и высокопрочных чугунов. Сначала изготавливают отливку из белого чугуна, при этом используются его высокие литейные свойства, позволяющие получать плотные отливки сложной формы. Затем эти отливки подвергают длительному “графитизирующему” отжигу по схеме, приведенной на рис. 5.2.

В основе этого метода лежит неустойчивость (метастабильность) цементита.

Длительная выдержка белого чугуна при t=950...1000 С вызывает распад цементита на смесь аустенита и графита хлопьевидной формы. Ускоренное охлаждение от этих температур (режим 1 на рис. 5.2) приводит к превращению аустенита в перлит (ниже линии эвтектоидного превращения PSK),  т.е. к получению ковкого чугуна на перлитной основе. Если же охлаждение прервать и длительное время выдержать отливку при