Искусство
Языки
Языкознание
Вычислительная техника
Информатика
Финансы
Экономика
Биология
Сельское хозяйство
Психология
Ветеринария
Медицина
Юриспруденция
Право
Физика
История
Экология
Промышленность
Энергетика
Этика
Связь
Автоматика
Математика
Электротехника
Философия
Религия
Логика
Химия
Социология
Политология
Геология
1 тема Свойства и строение конструкционных материалов Цель дисциплины
 Скачать 1.75 Mb.
|
|
1 тема Свойства и строение конструкционных материалов 1.Цель дисциплины «Технология конструкционных материалов» –формирование у студентов обобщенной системы знаний об особенностях поведения металла в конструкциях и практических навыков по вопросам сварочного производства в строительстве. Задачи изучения дисциплины: • овладение знаниями о структуре и свойствах металлов и сплавов, изучение методов испытаний сталей и сплавов; • овладение навыками правильного выбора материала и назначения оптимальных режимов термической обработки; • формирование и развитие у студентов инженерного мышления в области производства сварочных работ в строительстве; • овладение практическими навыками правильного выбора способа и режима сварки, сварочных материалов, оборудования, сборочно-сварочной оснастки, мероприятий по уменьшению сварочных напряжений и деформаций, методов контроля качества сварных соединений, обеспечивающих эксплуатационную надежность строительныхконструкций; • приобретение элементарных навыков в производстве сварочных работ. 2.Значение сварки в строительстве Сейчас сварка является основным способом соединения деталей при изготовлении металлоконструкций. Широко применяется сварка в комплексе с литьем, штамповкой и специальным прокатом отдельных элементов заготовок изделий, почти полностью вытеснив сложные и дорогие цельнолитые и цельноштампованные заготовки.Сварка обеспечивает ряд преимуществ: 1.Экономия металла вследствие наиболее полного использования рабочих сечений элементов сварных конструкций, придания им наиболее целесообразной формы в соответствии с действующими нагрузками и уменьшения веса соединительных элементов, Использование сварки на строительстве зданий позволяет уменьшить вес стальных конструкций на 15%, облегчает изготовление и увеличивает жесткость всей конструкции. 2. Сокращение сроков работ и уменьшение стоимости изготовления конструкций за счет снижения расхода металла и уменьшения трудоемкости работ. 3. Возможность изготовления сварных изделий сложной формы из штампованных элементов взамен ковки или литья. 4. С помощью сварки можно изготовлять детали из металла, прошедшего различную предварительную обработку, например сваривать прокатанные профили со штампованными, литыми или коваными заготовками. Можно сваривать и разнородные металлы: нержавеющие стали с углеродистыми, медь со сталью и др. 5.Удешевление технологического оборудования, так как отпадает необходимость в использовании дорогих сверлильных, дыропробивных станков и клепальных машин. 6. Герметичность получаемых сварных соединений. 7. Уменьшение производственного шума и улучшение условий труда рабочих. 8. Сваркой можно получить сварное соединение прочностью выше основного металла. Поэтому сварку широко применяют при изготовлении весьма ответственных конструкций, работающих при высоких давлениях и температурах, а также при динамических (ударных) нагрузках — паровых котлов высокого давления, мостов, самолетов, гидросооружений, арматуры железобетонных конструкций и др. 3.Атомно-кристаллическое строение металлов Кристаллическое строение, характеризуется определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.Атомно-кристаллическая структура может быть представлена не рядом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. 4.Металлическая связь и ее природа Главной особенностью всех существующих металлов является их достаточно высокая электропроводность и теплопроводность. Благодаря таким свойствам, валентные электроны могут легко перемещаться в кристаллической решетке. Самую простую модель строения металла можно представить в следующем виде: в узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы, которые тесно связаны электронным газом.Валентные электроны расположены одновременно на всех орбиталях атомов, даже соседних, таким образом, осуществляя между ними связь. Такую связь принято называть металлической. Она считается довольно прочной, потому что большая часть металлов имеет значительно высокую температуру плавления. Благодаря таким свойствам, у металлов повышается ковкость и пластичность. Ковкость - это способность расплющиваться в более тонкие листы, а пластичность - это способность металлов вытягиваться в длинную проволоку.Данные свойства объясняются возможностью подвижного электронного газа плоскостям, которые состоят из положительных ионов, без труда скользить друг по другу. Более подробное объяснение металлической связи позволяет увидеть метод молекулярных орбиталей. Как правило, в результате процесса образуются две орбитали: связывающая и разрыхляющая. 5.Основные типы кристаллических решеток металла и их характеристики Есть три типа элементарных ячеек кристаллических решеток: объемноцентрированная кубическая (ОЦК),гранецентрированная кубическая (ГЦК) , гексагональная плотноупакованная (ГП). схемы упаковки атомов: В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК; А1) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани,В кубической объемноцентрированной решетке (ОЦК; А2) атомы расположены в вершинах куба, а один атом — в центре его объема, В гексагональной плотноупакованной решетке (ГП; А3) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома - в средней плоскости призмы. Плотность кристаллической решетки, т. е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности. а) гранецентрированная кубическая (ГЦК); б) объемноцентрированная кубическая (ОЦК); в) гексагональная плотноупакованная (ГП) решетка  6.Процессы плавления и кристаллизации металлов Все металлы могут находиться в твердом, жидком или в газообразном состояниях. Переход из твердого состояния в жидкое происходит при определенной температуре плавления, переход из жидкого состояния в газообразное происходит при температуре кипения. Эти температуры зависят от давления. Температура плавления является одной из важнейших характеристик металла. Кристаллизация – процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое с образованием кристаллов. Плавление твердого тела при его нагревании и обратный процесс кристаллизации жидкости при ее охлаждении относятся к явлениям, называемым фазовыми переходами 1 рода. Для фазового перехода 1 рода характерно изменение скачком термодинамических параметров вещества (плотность, теплоемкость, вязкость и т. п. ). При этом выделяется или поглощается определенное для данного вещества количество теплоты, называемое теплотой фазового перехода. Рассмотрим, как изменяется температура вещества при его плавлении и кристаллизации. Пусть к твердому телу подводится тепло с такой постоянной скоростью, что температура во всем объеме образца успевает выравниваться и ее можно считать одинаковой для всех точек тела. Примерный график зависимости температуры тела от времени при нагреве изображен на рис. 1.а.В силу постоянства теплового потока ось времени есть одновременно и ось"тепла, поглощенного веществом". На участке 1'−1 тепло подвод приводит к монотонному росту температуры. На участке 1−2 температура неизменна, несмотря на то, что подвод тепла продолжается. Затем температура тела снова начинает повышаться (участок 2−2'). Температура, соответствующая участку 1−2, есть  температура плавления. Поглощенное телом на этом участке тепло называют теплотой плавления. Происходит разрушение кристаллической решетки твердого тела и внутренняя энергия образца увеличивается − совершается переход в жидкое состояние. Обратный процесс − процесс кристаллизации жидкости − изображен на рис. 1.б. Здесь тепло отводится, тепловой поток, следовательно, отрицателен (по-прежнему полагается постоянным). Из-за теплоотвода температура жидкости на участке 1'−1 монотонно снижается. На участке 1–2 температура неизменна (температура кристаллизации). Теплоотвод на этом участке компенсируется выделяющейся теплотой кристаллизации. После завершения кристаллизации температура тела(теперь уже твердого) начинает вновь понижаться (участок 2−2').Процессы плавления и кристаллизации идут практически при одной и той же температуре, а теплоты плавления и кристаллизации одинаковы. Жидкое и твердое состояния называют двумя разными фазами вещества, а процессы плавления и кристаллизации − фазовыми переходами. Новая фазане возникает сразу во всем объеме; сначала образуются зародыши новой фазы, которые затем растут, распространяясь на весь объем. При этом обе фазы могут сосуществовать длительное время (например, лед может плавать в воде, не плавясь). Указанные особенности плавления и кристаллизации(выделение и поглощение энергии, возможность сосуществования фаз) и являются отличительными признаками фазового перехода первого рода. Диаграммы, подобные изображенным на рис.1, можно использовать для измерения температуры и теплоты плавления (кристаллизации). Для снятия диаграммы тонкостенный сосуд (тигель) с исследуемым веществом(образцом) помещают в печь и, нагревая его, измеряют температуру образца через определенные промежутки времени. Можно снимать и диаграмму остывания и кристаллизации образца. В этом случае проще обеспечить постоянство теплового потока, отводимого от тела. Тепловой поток можно вычислить по изменению внутренней энергии тела (образец + тигель) на участках 1'−1 и 2'−2.  6.Процессы плавления и кристаллизации металлов Все металлы могут находиться в твердом, жидком или в газообразном состояниях. Переход из твердого состояния в жидкое происходит при определенной температуре плавления, переход из жидкого состояния в газообразное происходит при кипения температуре. Плавление -это процесс перехода тела из кристаллического твёрдого состояния в жидкое, то есть переход вещества из одного агрегатного состояния в другое. Для осуществления процесса плавления необходимо наличие некоторого перегрева над равновесной температурой, т. е. термодинамического потенциала Процесс плавления металла происходит при горении и коротком замыкании электрической дуги и отличается высокой температурой, цикличностью и кратковременностью. Расплавленный металл подхватывается дутьевой струей воздуха ( инертного газа) и распыляется на мельчайшие частицы с большой скоростью. Частицы достигают подготовленной поверхности детали в пластическом состоянии. Ударяясь о поверхность, они деформируются, наклепываются, охлаждаются, образуя пористое, неоднородное покрытие. В последующем нанесенный слой обрабатывается механическим способом до нужного размера Температура плавления металла - температура, при которой металл переходит из твердого состояния, в котором находится в нормальном состоянии (кроме ртути), в жидкое состояние при нагревании.Температура плавления металлов находится в диапазоне от -39 градусов Цельсия до +3410 градусов. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ ПЛАВЛЕНИЯ - Легкоплавкие металлы, температура плавления которых колеблется до 600 гр Ц, например (цинк, олово, висмут) -Среднеплавкие металлы, которые плавятся при температуре от 600-1600 (алюминий, медь, олово, железо) - Тугоплавкие металлы, температура плавления которых достигает более 1600 гр (вольфрам, титан, хром ) - Ртуть - единственный металл, находящийся при обычных условиях (нормальное атмосферное давление, средняя температура окружающей среды) в жидком состоянии. Температура плавления ртути составляет порядка -39 градусов по Цельсию. При плавлении металла для изготовления металлических изделий-отливок от температуры плавления зависит выбор оборудования, материала для формовки металла и др. Следует также помнить, что при легировании металла другими элементами температура плавления чаще всего снижается. Кристаллизация При переходе металла из жидкого состояния в твердое образуются кристаллы. Такой процесс называют кристаллизацией. Причиной кристаллизации является стремление системы перейти в термодинамически более устойчивое состояние с меньшей свободной энергией, т. е. когда свободная энергия кристалла меньше, свободной энергии жидкой фазы. Переход металла из одного состояния в другое происходит при определенной температуре и сопровождается резким изменением его свойств. Кристаллизация состоит из двух процессов: зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров В процессе роста кристаллов к их зародышам присоединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала кристаллы свободны и сохраняют правильную геометрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов друг с другом. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы называют кристаллитами или зернами. Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем больше кристаллов образуется в данном объеме и каждый кристалл (зерно) меньше. 7.Особенности жидкого состояния металлов Жидкие металлы, непрозрачные жидкости с характерным блеском, обладающие большой теплопроводностью, электропроводностью и др. особенностями, свойственными твёрдым металлам. Ж. м. являются все расплавленные металлы и сплавы металлов, а также ряд интерметаллических соединений. Жидкие металлы и сплавы в большинстве своих проявлений ведут себя как обыкновенные жидкости, обладая определенной текучестью и приобретая геометрическую форму того сосуда, который они заполняют. Главное различие твердого и жидкого состояния металлов и сплавов заключается в величине текучести. Текучесть определяется скоростью деформации тела под воздействием статической сдвиговой силы. Жидкие металлы по своей структуре ближе к кристаллическому состоянию, но имеют весьма характерные особенности. В частности, разница в свойствах твердого тела и жидкости, зависящая от структуры фазы, проявляется в величине коэффициента диффузии, который у жидкого металла может быть в 100-1000 раз больше, чем у твердого. Основное различие твердого и жидкого состояния состоит в том, что если в кристалле соседи у отдельного атома остаются теми же сравнительно длительное время, то в жидкости, благодаря значительному увеличению коэффициента диффузии, они меняются гораздо чаще, так как в жидкости нет стесненных границ жесткой ячейки и гораздо больше «свободного пространства». свойства жидких металлов -плотность -температура плавления -вязкость -поверхностное натяжение -литейные свойства Ж. м., как и др. жидкости, неспособны оказывать сопротивление статическим сдвигам, 8.Образование и рост зародышей при кристаллизации Процесс образования кристаллов состоит из двух одновременно протекающих стадий: появления зародышей - устойчивых центров кристаллизации и роста кристалликов вокруг этих центров. Сначала каждый кристаллик в жидкости растет свободно, сохраняя правильную геометрическую форму. Так как одновременно образуется много кристаллических центров и рост кристалликов идет по всем направлениям, то смежные кристаллы, увеличиваясь, начинают непосредственно соприкасаться друг с другом и правильная форма их нарушается. В результате кристалл приобретает округленную форму, напоминающую зерно. Такие кристаллы принято называть кристаллитами, или зернами. В зависимости от условий затвердевания зерна могут быть крупными, хорошо различимыми невооруженным глазом, и мелкими, которые можно рассмотреть только при помощи металлографического микроскопа. Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их столкновений между собой, но и составом сплава, наличием примесей и условиями охлаждения. В большинстве случаев при кристаллизации металлов механизм образования кристаллов носит так называемый дендритный характер. Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их развитие идет главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов (минимальное межатомное расстояние). В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла – так называемые оси первого порядка 9.Термические кривые охлаждения и кристаллизации Процесс кристаллизации металла можно рассматривать по кривым охлаждения, которые обычно получают опытным путем. Например, для чистого металла, охлаждаемого очень медленно, кривая охлаждения показывает, что, если металл находится в жидком состоянии, температура понижается почти равномерно. Если металл охладить до температуры плавления Тпл (точка а на кривой), то начинается кристаллизация и падение температуры прекращается, несмотря на непрерывную отдачу тепла окружающей атмосфере. Получаемый горизонтальный участок на кривой охлаждения показывает, что в металле происходит процесс образования кристаллов с выделением тепла, называемый теплотой кристаллизации. Кристаллизация протекает от точки а до точки б, где она заканчивается и металл затвердевает. Дальнейшее падение температуры на кривой указывает на охлаждение затвердевшего слитка (рис. А).  10.Понятие о температуре ликвидус и солидус Температура ликвидуса - это максимальная температура насыщения первичной твёрдой фазой расплава данного валового состава. Выше этой температуры система полностью жидкая. Иными словами, это температура, при которой в равновесных условиях выпадает первый кристалл. Хотя при понижении температуры будет выпадать всё больше кристаллов, возможно получение однородного вещества путём достаточно быстрого охлаждения, т. е. с помощью кинетического ингибирования процесса кристаллизации. В системе переменного состава ликвидус является геометрическим местом точек в координатах Температура-Состав, отвечающим максимальному насыщению твёрдой фазой расплавленной фазы. В стекольной промышленности точка ликвидуса важна, потому что кристаллизация может привести к порче продукта во время плавления и формирования стекла. Солидус (лат. solidus «твёрдый») — линия на фазовых диаграммах, на которой исчезают последние капли расплава, или температура, при которой плавится самый легкоплавкий компонент. Линия, ниже которой находится только твердая фаза. Противоположность ликвидусу Проще говоря - Ликвидус-жидкое, когда твердое превращается в жидкое (плавится) Солидус-твердое, когда жидкое превращается в твердое 11. Величина зерна 12. Основы теории сплавов Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения. В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов. Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур. Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются. Вариантность(C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе. 13. Диаграмма состояния системы железо-углерод: компоненты, фазы и структурные составляющие в сплавах железа с углеродом Диаграмма фазового равновесия (диаграмма состояния) железо-углерод — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.  Компоненты Железо — металл переходной группы серебристо-серого цвета, очень пластичный, с удельным весом 7,86 г/см3, температурой плавления 1539° С. Чистейшее железо содержит примесей до 0,01%. На практике применяется техническое железо, содержащее 0,1% примесей таких, как С, Mn, Si, S, Р, О2, Н2, N2 и др. Углерод— относится к неметаллам, удельный вес 2,5 г/см3, атомный радиус 0,77 А; температура плавления 3500° С. Углерод имеет три аллотропические модификации: алмаза, графита и угля. Цементит (Fe3C)– химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. В системе железо-углерод существуют следующиефазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы. Феррит — Твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе с ОЦК (объёмно-центрированной кубической) решёткой. Аустенит (γ) — твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе с ГЦК (гране-центрированной кубической) решёткой. Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Помимо четырех вышеназванных фаз в струтуре сплавов железа с углеродом выделяют еще две самостоятельные структурные составляющие: перлит и ледебурит. Перлит (П) – механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Перлит образуется из аустенита при охлаждении его до температуры ниже 727 °С. Ледебурит (Л) – механическая смесь аустенита и цементита (Л = А+ Ц), содержащая 4,3% углерода.Ледебурит образуется из жидкого расплава при температуре 1147 °С. Помимо перечисленных структурных составляющих, в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды – соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором. 14. Классификация железо-углеродистых сплавов по структуре (стали, чугуны) Все сплавы системы железо – цементит по структурному признаку делят на две большие группы: сталиичугуны. Сталь — сплав железа с углеродом и/или с другими элементами. Сталь содержит не более 2,14%углерода (при большем количестве углерода образуется чугун). Углерод придаёт сплавам железа прочность. Стали делятся на конструкционные и инструментальные.По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода — на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистые (0,6—2% С). По структуре сталь разделяется: на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную и перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную. По степени раскисления и характеру затвердевания — стали спокойные, полуспокойные и кипящие. Углеродистые стали — сплавы железа с углеродом, содержащие 0,02…2,14 % углерода, заканчивающие кристаллизацию образованием аустенита. Они обладают высокой пластичностью, особенно в аустенитном состоянии. Структура сталей формируется в результате перекристаллизации аустенита. Чугун — сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в чугуне не менее 2,14% (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний): меньше — сталь. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны.Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Виды чугуна: Белый чугун, Серый чугун, Ковкий чугун, Высокопрочный чугун, Половинчатый чугун. 15. Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства стали В углеродистых сталях углерод является основным элементом, определяющим структуру и свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали возрастают твердость и предел прочности (НВ, ств), уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость. При содержании в стали свыше 1 % углерода твердость ее возрастает, а предел прочности уменьшается. Марганец содержится в стали в качестве примеси в количестве от 0,4 до 0,8 %. Марганец, растворяясь в феррите, повышает прочность и значительно увеличивает прокаливаемость стали. Кремний является полезной примесью и может присутствовать в стали до 0,5 %. Кремний очень повышает прочность стали за счет образования с ферритом твердого раствора. Фосфор для большинства сталей является вредной примесью, и содержание его не должно превышать 0,05 %. Фосфор увеличивает прочность и снижает пластичность и вязкость сталей. Сера является вредной примесью. Она образует сернистое железо FeS, которое взаимодействует с чистым железом, образуя легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 °С. Содержание серы в стали не должно превышать 0,06 %. Кислород, азот и водород являются вредными примесями. Кислород и азот находятся в стали в виде оксидов FeO, SiO2, MnO или нитридов Fe4N и др. Эти неметаллические включения нарушают сплошность стали и, являясь концентраторами напряжений, приводят к преждевременному выходу деталей из строя. 16. Классификация и маркировка углеродистых и легированных сталей по химическому составу, назначению и качеству Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% углерода. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые и легированные . Классификация углеродистых сталей Углеродистые стали классифицируют: - по структуре - по способу получения - по степени раскисления - по качеству - по назначению По качеству (качество определяется содержанием вредных примесей в стали) углеродистые стали разделяют на: - стали обыкновенного качества - качественные стали По назначению углеродистые стали разделяют на: - конструкционные - инструментальные Маркировка углеродистых сталей Маркировка углеродистых сталей зависит от их качества и назначения. Стали обыкновенного качества имеют 3 группы поставки: А, Б, В. Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами, химический состав не регламентируют. Стали группы Б поставляются с гарантированным механическим составом, механические свойства не гарантируются. Стали группы В поставляются с гарантированными химическим составом и механическими свойствами. Все эти стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-71) маркируются буквами Ст, после которых ставится цифра от 0 до 6. Впереди марки – буква, указывающая группу поставки (для стали группы А – не ставится). В конце марки указывается степень раскисления: пс, кп (для спокойных – не указывают). (Пример:Ст3кп – углеродистая сталь обыкновенного качества, группы поставки А, с номером 3, кипящая.ВСт4пс – углеродистая сталь обыкновенного качества, группы поставки В, с номером 4, полуспокойная). Легированные стали. Легированными называют стали, в которые специально вводят те или иные химические элементы (хром, никель, кобальт, молибден, титан, вольфрам и др.). Эти элементы вводят с целью воздействия на структуру и получения требуемых свойств. Легированные стали классифицируют: - по структуре в равновесном состоянии и после охлаждения на воздухе - по типу легирующих элементов и их процентному содержанию - по качеству - по назначению По назначению стали делят на: - конструкционные - инструментальные - стали специального назначения Маркировка легированных сталей Маркировка легированных сталей зависит от их назначения. В основе маркировки легированных сталей лежит буквенно-цифровой метод. В начале марки конструкционных легированных сталей (гост 4543-71) ставятся цифры, обозначающиесодержание углерода в сотых долях процента. Далее идут большие буквы, обозначающие тот или иной легирующий элемент:
(Пример: 40ХН3МФА – конструкционная легированная сталь со средним содержанием углерода 0,4%, 1% хрома, 3% никеля, 1% молибдена, 1% ванадия, высококачественная. 18ХГТ – конструкционная легированная сталь с содержанием углерода 0,18% и по 1% (приблизительно) хрома, марганца и титана.) В начале марки инструментальных легированных сталей первая цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если цифра не стоит, то содержание углерода в этой стали 1% и более. Затем следуют буквы и цифры, обозначающие тоже самое, что и у конструкционных легированных сталей. (Пример:ХВГ – инструментальная легированная сталь, углерода более 1%, приблизительно около 1% хрома, вольфрама, марганца). 2 тема Основы теории и технологии термической обработки металлов
2. Превращения в стали при нагреве 
3.Рост зерна аустенита Образующиеся при нагреве перлита зерна аустенита получаются мелкими. При повышении температуры или выдержке происходит рост зерна аустенита. Движущей силой роста является разность свободных энергий мелкозернистой и крупнозернистой структуры аустенита. Стали различают по склонности к росту зерна аустенита. Если зерно аустенита начинает быстро расти даже при незначительном нагреве выше температуры, то сталь наследственно крупнозернистая. Если зерно растет только при большом перегреве, то сталь наследственно мелкозернистая. Склонность к росту аустенитного зерна является плавочной характеристикой. Стали одной марки, но разных плавок могут различаться. Ванадий, титан, молибден, вольфрам, алюминий – уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а марганец и фосфор – увеличивают ее. При последующем охлаждении зерна аустенита не измельчаются. Крупное зерно снижает сопротивление отрыву, ударную вязкость, повышает порог хладоломкости. Неправильный режим нагрева может привести либо к перегреву, либо к пережогу стали. Перегрев. Нагрев доэвтектоидной стали значительно выше температуры приводит к интенсивному росту зерна аустенита. При охлаждении феррит выделяется в виде пластинчатых или игольчатых кристаллов. Такая структура называется видманштеттовая структура и характеризуется пониженными механическими свойствами. Пережог имеет место, когда температура нагрева приближается к температуре плавления. При этом наблюдается окисление границ зерен, что резко снижает прочность стали. Излом такой стали камневидный. Пережог – неисправимый брак. 4.Переохлаждение аустенита Степень переохлаждения аустенита является основным фактором, от которого зависит микроструктура стали в результате отжига второго рода. Необходимая степень переохлаждения достигается или при непрерывном охлаждении или при изотермических выдержках. Регулируя степень переохлаждения аустенита, можно изменять характер продуктов его распада: при малых степенях переохлаждения получается грубая феррито-цементитная смесь - перлит, при большей степени переохлаждения получается более тонкая феррито-цементитная смесь - сорбит при еще большей степени переохлаждения образуется высокодисперсная феррито-цементитовая смесь-троостит, в которой частицы феррита и цементита – очень дисперсны. Если степень переохлаждения аустенита невелика, то он полностью распадается на механическую смесь феррита и цементита разной степени дисперсности. Чем больше степень переохлаждения аустенита, тем мельче образуемая из него ферритно-цементитная смесь. Полученные перлитные структуры называют по-разному. При большей степени переохлаждения называют сорбитом. Прибольший степени переохлаждения аустенита диффузия по-давляется и протекает бездиффузионный процесс: распад аустенита с образованием еще одной неравновесной структуры - мартенсита. Этот процесс носит название мартенсит-ного превращения. В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области или ступени превращения: перлитную; область промежуточного превращения и мартенситную. 5.МЕХАНИЗМ ПЕРЛИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ Перлитное превращение характерно при сварке среднеугле-родистых сталей и как дополнительное при сварке низкоуглеродистых. Оно происходит при сравнительно невысоких скоростях охлаждения. Перлитное превращение имеет диффузионный механизм и начинается с образования зародышей в виде перлитных колоний на границах аустенитного зерна. Вначале вследствие флуктуации концентрации углерода образуется тонкая цементитная пластина. Попеременное многократное возникновение пластин цементита и феррита приводит к образованию перлитной колонии, которая начинает расти не только в боковом, но и торцовом направлении. Кооперативный рост двухфазной колонии в торцовом направлении контролируется диффузионным перераспределением углерода в объеме аустенита перпендикулярно фронту превращения и вдоль фронта между составляющими перлитной колонии.Перлитное превращение переохлажденного аустенита носит кристаллизационный характер и по своему механизму является диффузионным. Его зародыши, как правило, образуются на границах зерен аустеппта, подобно большинству фазовых превращений, происходит как путем самопроизвольного образования кристаллических центров, так и вокруг посторонних центров - мельчайших частичек окислов, нитридов и карбидов, расположенных преимущественно на границах зерен аустенита, на которых образуется цементит ( карбид) и диффузионного роста вокруг них. Поэтому перлитное превращение требует достаточно высокой температуры для диффузии атомов углерода и железа в кристаллической решетке. Перлитное превращение происходит при сравнительно высокой температуре - примерно от 723 до 450 С, когда диффузия атомов углерода в кристаллической решетке аустенита протекает достаточно легко. как фазовое превращение, сопровождается уменьшением запаса свободной энергии. 6. Продукты распада аустенита, их строение и свойства Превращение связано с диффузией углерода, сопровождается полиморфным превращением Feγ -> Feα, выделением углерода из аустенита в виде цементита, разрастанием образовавшегося цементита. Формула превращения: Feγ (C) -> Feα (C) + Fe3C Во время медленного охлаждения стали по линии PSK происходит распад аустенита с образованием феррита и цементита в результате диффузии углерода и железа. Образование перлита завершается при температуре 6500. Пластинки перлита имеют размер 0,6.1,0 мкм. Твердость перлита 180.250 НВ. При распаде аустенита в интервале температур 650.600 ° образуется более мелкозернистая ферритно-цементитная смесь с размером зерен 0,25.0,3 мкм. Такой дисперсный перлит называют сорбитом. Сорбит имеет твердость 250.350 НВ. Температура начала и конца мартенситного превращения зависит от концентрации углерода и легирующих элементов в стали. Чем больше концентрация углерода, тем ниже интервал мартенситного превращения. В сталях с содержанием углерода свыше 0,5% мартенситное превращение сдвигается в зону отрицательных температур. Все легирующих элементов, кроме кобальта и алюминия снижают интервал температур мартенситного превращения. Атомы углерода сильно деформируют решетку а - железа, увеличивая межатомные расстояния. Это ведет к увеличению объема и возникновения внутренних напряжений. Так как с понижением температуры распад аустенита замедляется, то при быстром охлаждении стали в структуре остается определенное количество не преобразованного аустенита, который называют остаточным аустенитом. Остаточный аустенит, количество которого возрастает с увеличением содержания углерода в стали, вызывает неоднородность свойств закаленной стали.  7-8. Механизм мартенситного превращения. Свойства и строения мартенсита. Если скорость охлаждения стали от высоких температур (выше Ac3) становится достаточно большой (v > vкр) для подавления распада аустенита на феррито-цементитную смесь, то аустенит испытывает мартенситное превращение [Feγ (C) → Feα (C) или А → М] с образованием новой фазы в стали - мартенсита (по имени ученого А. Мартенса - одного из пионеров металловедения). Мартенсит в углеродистой стали есть пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в решетке Feα. Мартенситное превращение было открыто при изучении закалки и первоначально под ним подразумевался только процесс, приводящий к образованию мартенсита в сталях. Однако впоследствии было установлено, что мартенситное превращение следует трактовать шире, так как его характерные особенности наблюдаются не только в сталях, но и в других железных сплавах, цветных сплавах и даже в полупроводниках. Поэтому в настоящее время под мартенситным превращением понимается особый вид фазового превращения в твердом теле, протекающего по бездиффузионному, сдвиговому механизму, называемому мартенситным, а под мартенситом - продукт такого превращения. Можно выделить следующие характерные особенности мартенситного превращения в стали: 1. Мартенситное превращение - бездиффузионное. Концентрация углерода в мартенсите такая же, как и в исходном аустените, мартенсит - перенасыщенный твердый раствор углерода в Feα. 2. Механизм А → М превращения носит сдвиговый характер, поэтому напряжения, возникающие при охлаждении и превращении, являются определяющими для кинетики мартенситного превращения. В процессе превращения атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные; при этом соседи любого атома в аустените остаются его соседями в мартенсите. 3. Несмотря на то, что относительные перемещения атомов малы, абсолютные смещения атомов при мартенситном превращении могут достигать значительных макроскопических размеров (при этом происходит изменение формы превращенного объема аустенита), что является следствием сдвигового механизма превращения и приводит к образованию на поверхности полированного шлифа стали характерного рельефа (рис. 197) подобно наблюдаемому при пластической деформации 4. Кристаллическая решетка мартенсита в сталях не кубическая как у Feα, а тетрагональная (о.ц.т., рентгенографически фиксируется при C = 0.25 ÷ 0.35 % ), при этом тетрагональность решетки (отношение параметров c/a) линейно увеличивается с ростом содержания в стали углерода (рис. 198), а в ряде высоколегированных сталей зависит и от содержания легирующих элементов. 5. Между кристаллическими решетками аустенита и мартенсита существует определенное кристаллографическое соответствие (ориентационное соотношение). В сталях и железных сплавах встречаются ориентационные соотношения, близкие к соотношению Курдюмова-Закса (111)А || (101)М; [110]А || [111]М или Нишиямы (111)А || (101)М; [121]А || [101]М. 6. Наиболее типичной формой мартенситного кристалла является пластина или линза с малым отношением толщины к другим линейным размерам, имеющая сложное внутреннее строение. Форма мартенситных кристаллов соответствует минимуму упругой энергии, возникающей при мартенситном превращении. 7. Время образования одного кристалла мартенсита менее10-7 с, а скорость его роста более 105 см/с, т.е. близка к скорости звука в твердом теле и не зависит от температуры превращения. 8. А → М превращение протекает в определенном температурном интервале: начинается при температуре Мн и заканчивается при более низкой температуре Мк (эти температуры называются мартенситными точками), что может быть описано мартенситной кривой (рис. 199). При данной температуре с громадной скоростью образуется только определенное количество мартенсита и для возобновления превращения сталь надо охлаждать в интервале Мн - Мк. 9. Температура Мн в широком диапазоне скоростей охлаждения не зависит от ее величины, а А → М превращение невозможно подавить даже при самых больших скоростях охлаждения. (Кроме случая образования изотермического мартенсита.) 10. Мартенситные точки зависят от состава стали; сильно Мн и Мк снижает углерод. 11. А → М превращение не идет до конца: в стали всегда существует так называемый остаточный аустенит (А1 ), количество которого увеличивается при понижении точки Мн, например за счет легирования углеродом. 12. Приложение внешних упругих напряжений или деформаций увеличивает количество образуемого мартенсита и повышает температуру начала его образования. (При деформации аустенита возникают два типа мартенсита: мартенсит напряжений (его образование инициируется напряжениями ниже предела текучести аустенита) и мартенсит деформации) Температура, ниже которой возможно образование мартенсита при деформации, обозначается Мд. 9.Закалка стали Закалка стали — это процесс термообработки, суть которого заключается в нагреве стали до температуры выше критической с последующим быстрым охлаждением. В результате этой операции повышаются твердость и прочность стали, а пластичность снижается. При нагреве и охлаждении сталей происходит перестройка атомной решетки. Критические значения температур у разных марок сталей неодинаковы: они зависят от содержания углерода и легирующих примесей, а также от скорости нагрева и охлаждения. После закалки сталь становится хрупкой и твердой. Поверхностный слой изделий при нагреве в термических печах покрывается окалиной и обезуглероживается тем более, чем выше температура нагрева и время выдержки в печи. Если детали имеют малый припуск для дальнейшей обработки, то брак этот является неисправимым. Режимы закалки закалки стали зависят от ее состава и технических требований к изделию. Охлаждать детали при закалке следует быстро, чтобы аустенит не успел превратиться в структуры промежуточные (сорбит или троостит). Необходимая скорость охлаждения обеспечивается посредством выбора охлаждающей среды. При этом чрезмерно быстрое охлаждение приводит к появлению трещин или короблению изделия. Чтобы этого избежать, в интервале температур от 300 до 200 градусов скорость охлаждения надо замедлять, применяя для этого комбинированные методы закалки. Большое значение для уменьшения коробления изделия имеет способ погружения детали в охлаждающую среду. 10.Отпуск стали Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур ниже критической точки Ас1 выдержка при этой температуре с последующим охлаждением (обычно на воздухе) . Отпуск является окончательной термической обработкой. Целью отпуска является изменение строения и свойств закаленной стали: повышение вязкости и пластичности, уменьшение твердости, снижение внутренних напряжений. Отпуску подвергаются все закаленные детали. Это делается для снятия внутренних напряжений. В результате отпуска несколько снижается твердость и повышается пластичность стали. |