Конструкционная сталь

Теория сплавов. Основы теории сплавов.

Сплав — вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами.

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.

Основные понятия в 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.

· Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз;

· Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в системе.

Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы (С

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится:

3

4.Правило фаз

Правило фаз*

(хим.) — неоднородность любой химической системы, находящейся в равновесии, может обуславливатьсятолько одновременным присутствием в ней различных однородных тел, взаимно соприкасающихся; таков,напр., случай твердой соли и находящегося над ней насыщенного раствора и т. д. Отдельные, однородныетела, из которых сложена система, могут быть в газообразном, жидком или твердом состояниях; числотвердых тел и число взаимно не растворяющихся жидкостей, которые принимают участие в равновесии, неподлежит какому-либо ограничению; что касается паро- или газообразных тел, то благодаря способности ихсмешиваться во всех отношениях, паро- или газообразный комплекс, входящий в систему, должен бытьвсегда в единственном числе. Гиббс предложил называть фазами те физически и химически одпородныемассы (иначе, массы однородной концентрации), из которых сложена данная неоднородная равновеснаясистема. Фазами могут быть потому и физич. смеси, и химически однородные тела; число их, следовательно,не всегда совпадает с числом химических тел, которые могут быть выделены из данной системы; так, всякийраствор, будет ли он твердый (см. Растворы), жидкий или газообразный, представляет собой отдельнуюфазу, за химические же тела (простые или сложные), ее образующие, мы должны принимать исключительноте, концентрация которых может быть произвольно изменена. Напр., при рассмотрении равновесия междууглекальциевой солью, окисью кальция и углекислым газом, за тела, слагающие данную систему мы должныпринять СО 2 и СаО, потому что их концентрация может быть произвольно изменяема и их двух вполнедостаточно для образования всех тут возможных равновесных систем (ср., что сказано ниже при двухреагирующих телах); нельзя принять за слагающие сами элементы кальций, кислород и углерод, так как онине представляют независимых переменных и, что не менее важно — не находятся в равновесии с даннойсистемой [Paзличиe числа не зависимых друг от друга тел, образующих данную равновесную систему, отчисла химических индивидуумов, в ней могущих содержаться, еще яснее выступает на следующем примере.Положим, что в воде растворены одновременно хлористый калий и бромистый натрий, в силу двойногоразложения они дадут некоторые количества бромистого калия и хлористого натрия.

5. Железоуглеродистые сплавы

сплавы железа с углеродом на основе железа. Варьируя состав и структуру, получают Ж. с. сразнообразными свойствами, что делает их универсальными материалами. Различают чистые Ж. с. (соследами примесей), получаемые в небольших количествах для исследовательских целей, и технические Ж.с. — стали (См. Сталь) (до 2%С) и Чугуны (св. 2% С), мировое производство которых измеряется сотнямимлн. т. Технические Ж. с. содержат примеси. Их делят на обычные (фосфор Р, сера S, марганец Mn,кремний Si, водород Н, азот N, кислород О), легирующие (хром Cr, никель Ni, молибден Mo, вольфрам W,ванадий V, титан Ti, кобальт Со, медь Cu и др.) и модифицирующие (магний Mg, церий Ce, кальций Ca идр.). В большинстве случаев основой, определяющей строение и свойства сталей и чугунов, являетсясистема Fe — С. Начало научному изучению этой системы положили русские металлурги П. П. Аносов (1831)и Д. К. Чернов (1868). Аносов впервые применил микроскоп при исследовании Ж. с., а Чернов установил ихкристаллическую природу, обнаружил дендритную кристаллизацию и открыл в них превращения в твёрдомсостоянии. Из зарубежных учёных, способствовавших созданию диаграммы состояния Fe — С сплавов,следует отметить Ф. Осмонда (Франция), У. Ч. Робертса-Остена (Англия), Б. Розебома (Голландия) и П.Геренса (Германия).

Основной причиной появления в Ж. с. высокоуглеродистой метастабильной фазы в виде цементитаявляются трудности формирования графита. Образование графита в жидком растворе Ж и твёрдыхрастворах α и γ связано с практически полным удалением атомов железа из участков сплава, гдезарождается и растет графит. Оно требует значительных атомных передвижений. Если Ж. с. охлаждаютсямедленно или длительно выдерживаются при повышенных температурах, атомы железа успевают удалитьсяиз мест, где формируется графит, и тогда возникают стабильные состояния. При ускоренном охлаждении инедостаточных выдержках удаление малоподвижных атомов железа задерживается, почти все они остаютсяна месте, и тогда в жидких и твёрдых растворах зарождается и растет цементит. Необходимая для этогодиффузия легкоподвижных при повышенных температурах атомов углерода, не требующая большихвыдержек, успевает происходить и при ускоренном охлаждении. Помимо основных фаз, указанных надиаграммах, в технических Ж. с. встречаются небольшие количества и др. фаз, появление которыхобусловлено наличием примесей. Часто встречаются сульфиды (FeS, MnS), фосфиды (Fe₃P), окислы железаи примесей (FeO, MnO, Al₂O₃, Cr₂O₃, TiO₂ и др.), нитриды (FeN, AlN) и др. неметаллические фазы.Точечными линиями на диаграммах отмечены точки Кюри, наблюдающиеся в Ж. с. в связи с магнитнымипревращениями феррита (768°С) и цементита (210°С).

7.Диаграмма состояния системы железо – углерод (Fe-C)

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД – графическое построение в координатах состав (концентрация примеси или примесей) – температура. Для металлических сплавов наиболее широко применяется бинарная диаграмма железо-углерод, которая схематически изображена на рисунке. При большом количестве примесей диаграммы многомерны, например, при добавлении в сталь одного легирующего элемента соответствующая тройная диаграмма состояния является объемной.

Начало изучения диаграммы состояния системы железо – углерод связано с открытием критических точек в стали Д. К. Черновым в 1868 г.

На рис. приведена полная диаграмма состояния системы

(стабильная система железо-углерод Fe—С_гр и метастабильная системажелезо - цементит Fe—FeC).

Метастабильная система Fe—Fe₃C. Перитектическое превращение δ+ж↔γ протекает при 1494±2°С.

Предельная концентрация углерода в δ-фазе (точка Н) отвечает 0,1 % (по массе), или 0,46% (ат.).

Для точки A приняты значения 0,16% (по массе), или 0,74% (ат.), для точки В — значения 0,51% (по массе), или 2,33% (ат.). По данным термического анализа,линия ликвидус δ-фазы АВ — почти прямая, точке В соответствует 2,47% (ат.), предельная растворимость углерода в δ-Feсоставляет 0,5 % (эт.). Температураперитектической горизонтали равна 1496±2°С, точке 1 отвечает 0,18 % (но массе), или 0,83 % (эт.).

Кривая ликвидус аустенита ВС, установленная по данным Руэра, Хондо, Эдкока, Умино и др.

Предельная растворимость углерода в γ-Fe при 1147°С составляет 2,14% (по массе), или 9,2% (ат.); при 1150°С 2,02% (по массе), или 8,7 % (ат.).

Кривая ликвидус цементита CD экспериментально не фиксируется. Первичныйцементит выделяется только при закалке расплавов, содержащих до 5,5 % (по массе) С, а при нагреве белых заэвтектических чугунов цементит разлагается до плавления (Fe₃C->Fe+C_rp). По расчетным данным, виртуальнаяТемпература плавления цементита оценивается равной 1200—1450 °С.

Возможно, цементит испытывает инконгруэнтное разложение при 1250—1300° С.

В высокоуглеродистых сплавах, содержащих более 6,7 % (по массе) С после закалки из жидкого состояния в медную изложницу и ледяную воду наблюдали только Fe₃C; других карбидов не обнаружено. Таким образом, метастабильная система при нормальном давлении ограничена цементитом. При повышении давления стабилизируются высшие карбиды Fe₇C₃, Fe₂C иС_алм, однако при давлении 0,1 МПа выделение карбидов Fe_хC (Fe₂C) наблюдали лишь при низкотемпературном отпуске закаленной стали.

Температура эвтектической горизонтали ECF принята равной 1147°С,эвтектике (точке С) соответствует 4,30%

(по массе), или 17,28 % (ат.) С.

Превращение у↔а (A₃, кривая GS), исследованное многими авторами, также подтверждено последующими работами.

Эвтектоидная точка, находится при 723 °С и 0,76 % (по массе), или 3,44% (ат.).растворимость цементита в α-Fe(кривая PQ) очень мала и составляет 0,02% (по массе), или 0,095 % (ат.) растворимость цементита в a-Feпри 723 °С равна 0,025 % (по массе).

Кристаллическая структура. Феррит имеет о. ц. к. структуру a-Fe. Периодрешетки a-Feравен 0,2862 им при 20 °С и линейно возрастает до 0,2899 нм при 910 °С. При 769 °С (точка Кюри) ферромагнитное a-Feпереходит в «немагнитное α-Fe» (точнее, в упорядоченное антиферромагнитное β-Fe). Вследствие малой растворимости углерода в a-Fe[0,02 % (по массе)] периодрешетки Тk-феррита практически такие же, как и чистого a-Fe. Атомы углеродав феррите занимают преимущественно октапоры. Выше 1392 °С γ-Feпревращается в парамагнитную δ-фазу, существующую при 1392—1536 °С. Период решетки о. ц. к. δ-Fe равен 0,2925 нм при 1392 °С и линейно растет до 0,2935 нм при 1536 °С. Температурная зависимость периода решетки для α-(β-) и γ-Fe различны. Период решетки δ-феррита с повышением температурыувеличивается сильнее, чем α (β)-фазы и, по-видимому, растет с увеличением содержания углерода.

Аустенит имеет г. ц. к. структуру γ-Fe. Период решетки γ-Fe линейно возрастает от 0,3637 нм при 911 °С до 0,368 нм при 1390 °С. углеродрастворяется в γ-Fe в виде С⁴⁺ и занимает октапоры, образуя твердыерастворы внедрения. С увеличением содержания углерода в аустенитепериод решетки γ-фазы увеличивается.

Цементит Fe₃C имеет ромбическую структуру.Периоды решетки: а=0,45244±0,0005 нм, b = 0,50885±0,0005 нм, с=0,67431± ±0,0005 нм;Температура перехода цементита из ферромагнитного в парамагнитноесостояние (Т_с) равна 215°С.

Карбид Fe₇C₃ получен только при высоких давлениях. Он имеет гексагональную структуру типа Сr₇С₃.

Периоды решетки а=0,6882 нм, с= 0,4540 нм. Установлено существование метастабильного карбида Fe₂C

(ε-карбид), выделяющегося при отпуске стали. При 150—200°С из закаленнойстали выделяется ε-карбид с гексагональной решеткой, имеющей периоды а=0,627 нм, с=0,214 нм. Высшие карбиды весьма неустойчивы и при построении диаграммы состояния при нормальных условиях не учитываются.

8. Углеродистая сталь

Сталь, не содержащая легирующих компонентов. В зависимости от содержания углерода У. с.подразделяют на низкоуглеродистую (до 0,25% С), среднеуглеродистую (0,25—0,6% С) ивысокоуглеродистую (более 0,6% С). Различают У. с. обыкновенного качества и качественнуюконструкционную. К 1-й группе относится горячекатаная (сортовая, фасонная, толстолистовая,тонколистовая, широкополосная) и холоднокатаная (тонколистовая) сталь; во 2-ю входят горячекатаные икованые заготовки диаметром (или толщиной) до 250 мм, калиброванная сталь и Серебрянка.

У. с. выплавляют в мартеновских, двухванных, дуговых печах и кислородных конвертерах. Дляраскисления У. с. используют ферромарганец, ферросилиций, феррованадий, алюминий, титан и др.; постепени раскисления различают кипящую, полуспокойную и спокойную У. с. Для улучшения физико-химических и технологических свойств применяют микролегирование У. с. титаном, цирконием, бором,редкоземельными элементами. В результате микролегирования сталь приобретает мелкозернистуюструктуру, уменьшается степень зональной ликвации (См. Ликвация), снижаются загрязнённость сталинеметаллическими включениями (См. Неметаллические включения) и склонность к образованию трещин пригорячей пластической деформации, повышается Ударная вязкость при отрицательных температурах, чтодаёт возможность применять У. с. в различных климатических зонах (от — 40 до 60 °С). У. с. разливают наслитки (сверху, сифоном) и заготовки (на машинах непрерывного литья); масса слитков достигает 35 т. Кроме того, У. с. используется для получения стальных отливок. Литая У. с. отличается от деформируемойстали подобного состава несколько меньшими пластичностью и ударной вязкостью.

У. с. — наиболее распространённый вид чёрных металлов (См. Чёрные металлы); на её долюприходится (середина 70-х гг.) свыше 75% всей стальной продукции чёрной металлургии СССР.

9.Чугун
Чугу́н — 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.). Как правило, чугун хрупок.

Белый чугун[править | править вики-текст]

В них весь углерод находится в связанном виде (Fe₃C). В зависимости от количества углерода делятся на:

- доэвтектические (2,14-4,3% углерода);

- эвтектические (4,3% углерода);

- заэвтектические (4,3-6,67% углерода).

Цементит в изломе - светлый, поэтому такие чугуны назвали светлыми.

Серый чугун[править | править вики-текст]

Основная статья: Серый чугун

Серый чугун - это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.

Ковкий чугун[править | править вики-текст]

Основная статья: Ковкий чугун

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна:феррит и реже перлит. Ковкий чугун получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготавливают детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Маркируется ковкий чугун двумя буквами и двумя числами, например КЧ 370-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число—предел прочности (в МПа) на разрыв, второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.

Высокопрочный чугун[править | править вики-текст]

Основная статья: Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно, как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.

Половинчатый чугун[править | править вики-текст]

В половинчатом чугуне часть углерода (более 0,8 %) содержится в виде цементита. Структурные составляющие такого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

Классификация[править | править вики-текст]

В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2,14-4,3 % углерода), эвтектическим (4,3 %) или заэвтектическим (4,3-6,67 %). Состав сплава влияет на структуру материала.

В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают: белые и серые (по цвету излома, который обуславливается структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита), высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие чугуны, чугуны с вермикулярным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером — в основном в виде графита.

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

· передельный чугун — П1, П2;

· передельный чугун для отливок (передельно-литейный) — ПЛ1, ПЛ2,

· передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3,

· передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;

· чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм);

· антифрикционный чугун

· антифрикционный серый — АЧС,

· антифрикционный высокопрочный — АЧВ,

· антифрикционный ковкий — АЧК;

· чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлиненние(%);

· чугун легированный со специальными свойствами — Ч.

10.Термическая обработка металлов.

Термической обработкой называется совокупность операций на­грева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутрен­него строения и структуры. Термическая обработка используется либо в ка­честве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием, либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень свойств детали.

Общая длительность нагрева металла при термической обработке складывается из времени собственно нагрева до заданной температуры и времени выдержки при этой температуре. Время нагрева зависит от типа печи, размеров деталей, их укладки в печи; время выдержки зависит от скорости протекания фазовых превращений.

Нагрев может сопровождаться взаимодействием поверхности металла с газовой фазой и приводить к обезуглероживанию поверхностного слоя и образованию окалины. Обезуглероживание приводит к тому, что поверхность деталей становится менее прочной и теряет твердость.

При нагреве и охлаждении стали происходят фазовые превращения, которые характеризуются температурными критическими точками. Принято обозначать критические точки стали буквой А. Критические точки А1 лежат на линии PSK (727 °С) диаграммы железо-углерод и соответствуют превращению перлита в аустенит. Критические точки А2 находятся на линии МО (768 °С), характеризующей магнитное превращение феррита. A3 соответствует линиям GS и SE, на которых соответственно завершается превращение феррита и цементита в аустенит при нагреве.

Для обозначения критических точек при нагреве и охлаждении вводят дополнительные индексы: букву «с» в случае нагрева и «r» в случае охлаждения, например Ас1, Ac3, Ar1, Ar3.

Среди основных видов термической обработки следует отметить:

· Отжиг

· Отжиг 1 рода (гомогенизация, рекристаллизация, снятие напряжений). Целью является получение равновесной структуры. Такой отжиг не связан с превращениями в твердом состоянии (если они и происходят, то это - побочное явление).

· Отжиг 2 рода связан с превращениями в твердом состоянии. К отжигу 2 рода относятся: полный отжиг, неполный отжиг, нормализация, изотермический отжиг, патентирование, сфероидизирующий отжиг.

· Закалку проводят с повышенной скоростью охлаждения с целью получения неравновесных структур. Критическая скорость охлаждения, необходимая для закалки, зависит от химического состава сплава. Закалка может сопровождаться полиморфным превращением, при этом из исходной высокотемпературной фазы образуется новая неравновесная фаза (например, превращение аустенита в мартенсит при закалке стали). Существует также закалка без полиморфного превращения, в процессе которой фиксируется высокотемпературная метастабильная фаза (например, при закалке бериллиевой бронзы происходит фиксация альфа фазы, пересыщенной бериллием).

· Отпуск необходим для снятия внутренних напряжений, а также для придания материалу требуемого комплекса механических и эксплуатационных свойств. В большинстве случаев материал становится более пластичным при некотором уменьшении прочности.

· Нормализация. Изделие нагревают до аустенитного состояния (на 30...50 градусов выше АС3) и охлаждают на спокойном воздухе

· Дисперсионное твердение (старение). После проведения закалки (без полиморфного превращения) проводится нагрев на более низкую температуру с целью выделения частиц упрочняющей фазы. Иногда проводится ступенчатое старение при нескольких температурах с целью выделения нескольких видов упрочняющих частиц.

· Обработка холодом.

12 Обжиг.

(a. roasting; н. Rosten; ф. calcination, grillage; и. coccion, cocimiento, calcinacion) - процесс термич.обработки материалов, осуществляемый для направленного изменения их физ. свойств и хим. состава. O.применяют для подготовки руд и концентратов к последующему переделу (обогащению, окускованию,дистилляции, плавке и др.) или получения конечных продуктов (извести, цемента, пористых заполнителей,керамич. изделий и др.). O. заключается в нагреве материалов до определённой темп-ры, выдержке при этойтемп-pe и охлаждении c заданной скоростью. Различают термич. O. c диссоциацией соединений,окислительный и сульфатизирующий; разл. виды восстановительного и хлорирующий O.
Термический O. c диссоциацией соединений включает: декарбонизирующий O. (удаление кислоты приобжиге известняка, доломита, магнезита, фосфорита и др.); пирротинизирующий O. (переводпарамагнитного пирита в сильномагнитные моноклинные пирротины); дистилляционный O. (выделение изруд или концентратов сурьмы, ртути, мышьяка в парообразном состоянии); спекающий O. (переводизвлекаемых металлов в соединения, растворимые в воде; применяется в осн. в алюминиевой пром-сти припроиз-ве гленозёма из бокситов спеканием c содой или щёлочью).
Окислительномy O. обычно подвергают сульфидные руды c целью полного или частичного удаления серы иперевода сульфидов железа в легкошлакуемые при последующей плавке оксиды. Сульфатизирующий O.применяют перед гидрометаллургич. переделом для перевода извлекаемых цветных металлов вводорастворимые сульфаты, a железа - в нерастворимые в воде оксиды. Восстановительныймагнетизирующий O. бедных железных руд используется для перевода немагнитных и слабомагнитныхоксидов железа в искусств. магнетит, восстановительно- металлизирующий O.- для прямого получениягубчатого железа и железных порошков, восстановительно-дистилляционный O.- для получения сурьмы(отличается от дистилляционного O. наличием твёрдого или газообразного восстановителя), восстано-вительно-сульфидизирующий O.- для переработки бедных никель-кобальтовых руд (оксиды никеля, железа икобальта при O. сульфидируются). Восстановительно- хлорирующий O. применяется для облегченияизвлечения титана, ниобия, тантала и меди из никелевых концентратов (O. проводится в присутствиивосстановителя и газообразного хлора). Восстановительно-хлорирующий сегрегационный O. используетсяпри подготовке труднообогатимых руд цветных металлов к флотации или магнитной сепарации,осуществляется в присутствии твёрдого восстановителя c добавкой хлоридов натрия или кальция. Цельхлорирующегo O.- превратить оксиды и сульфиды металлов в хлориды. O. иногда совмещают co спеканиемруды или концентрата c активными добавками (сода, мел и др.) или компонентами шихты (O. c окускованиемдля облегчения последующей переработки). O. проводят в печах (шахтных, многоподовых, вращающихся,трубчатых, барабанных, кипящего слоя) и в обжиговых и агломерационных машинах.

14.Закалка

Зака́лка — вид термической обработки материалов (металлы, их сплавы, стекло), заключающийся в их нагреве выше критической температуры (температуры изменения типа кристаллической решетки, т. е. полиморфного превращения, либо температуры, при которой в матрице растворяются фазы, существующие при низкой температуре), с последующим быстрым охлаждением. ^[1] Закалку металла для получения избытка вакансий не следует смешивать с обычной закалкой, для проведения которой необходимо, чтобы были возможные фазовые превращения в сплаве.

Чаще всего охлаждение осуществляется в воде или масле, но существуют и другие способы охлаждения: в псевдокипящем слое твёрдого теплоносителя, струёй сжатого воздуха, водяным туманом, в жидкую полимерную закалочную среду.

Различают закалку с полиморфным превращением, для сталей, и закалку без полиморфного превращения, для большинства цветных металлов.

Материал, подвергшийся закалке приобретает бо́льшую твердость, но становится хрупким, менее пластичным и менее вязким, если сделать большее количество повторов нагревание-охлаждение. Для снижения хрупкости и увеличения пластичности и вязкости, после закалки с полиморфным превращением применяют отпуск. После закалки без полиморфного превращения применяют старение. При отпуске имеет место некоторое снижение твердости и прочности материала. ^[2]

В зависимости от температуры нагрева, закалку подразделяют на полную и неполную. В случае полной закалки материал нагревают на 30 - 50°С выше линии GS для доэвтектоидной стали и эвтектоидной, заэвтектоидная линия PSK (см. диаграмму железоуглеродистых сплавов), в этом случае сталь приобретает структуру аустенит и аустенит + цементит. При неполной закалке производят нагрев выше линии PSK диаграммы, что приводит к образованию избыточных фаз по окончании закалки. Неполная закалка, как правило, применяется для инструментальных сталей

Закалка снимается отпуском материала.

В некоторых изделиях закалка выполняется частично, например при изготовлении японских катан, закалке подвергается только режущая кромка меча.

Цвета каления

· Закалка в одном охладителе — нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей.

· Прерывистая закалка в двух средах — этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).

· Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.

· Ступенчатая закалка — закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.

· Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

· Лазерная закалка. Термическое упрочнение металлов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла. В отличие от других известных процессов термоупрочнения (закалкой токами высокой частоты, электронагревом, закалкой из расплава и другими способами) нагрев при лазерной закалке является не объемным, а поверхностным процессом.^[3]

16.Химико термическая обработка

Химико-термическая обработка (ХТО) - нагрев и выдержка металлических (а в ряде случаев и неметаллических) материалов при высоких температурах в химически активных средах (твердых, жидких, газообразных).

В подавляющем большинстве случаев химико-термическую обработку проводят с целью обогащения поверхностных слоев изделий определенными элементами. Их называют насыщающими элементами или компонентами насыщения.

В результате ХТО формируется диффузионный слой, т.е. изменяется химический состав, фазовый состав, структура и свойства поверхностных слоев. Изменение химического состава обуславливает изменения структуры и свойств диффузионного слоя.

Классификация процессов химико-термической обработки[править | править вики-текст]

В зависимости от насыщающего элемента различают следующие процессы химико-термической обработки:

· однокомпонентные: цементация - насыщение углеродом; азотирование - насыщение азотом; алитирование - насыщение алюминием; хромирование - насыщение хромом; борирование - насыщение бором; силицирование - насыщение кремнием;

· многокомпонентные: нитроцементация (цианирование, карбонитрация) - насыщение азотом и углеродом; боро- и хромоалитирование - насыщение, бором или хромом и алюминием, соответственно; хромосилицирование – насыщение хромом и кремнием и т.д.

Широкое промышленное применение получили только традиционные процессы насыщения: азотирование, цементация, нитроцементация, цианирование. Цинкование, алитирование, борирование, хромирование, силицирование применяют значительно в меньшей мере.

На практике в подавляющем большинстве случаев ХТО подвергают сплавы на основе железа (стали и чугуны), реже - сплавы на основе тугоплавких металлов, твердые сплавы и еще реже сплавы цветных металлов, хотя практически все металлы могут образовывать диффузионные слои с подавляющим большинством химических элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

При реализации любого процесса ХТО изделия выдерживают определенное время при температуре насыщения в окружении насыщающей среды. Насыщающие среды могут быть твердыми, жидкими или газообразными.

Существующие методы химико-термической обработки можно разделить на три основные группы: насыщение из твердой фазы (в основном, из порошковых засыпок), насыщение из жидкой фазы и насыщение из газовой (или паровой) фазы. Особо выделяют метод ХТО в ионизированных газах (ХТО в плазме тлеющего разряда). Насыщение из паст (обмазок) занимает особое положение (в зависимости от состава, консистенции обмазки и температурно-временных условий химико-термической обработки тяготеет к одному из указанных выше методов насыщения)

В настоящее время активно изучают способы ХТО, реализующиеся при воздействии на поверхность концентрированными потоками энергии.

17. Классификация легированных сталей

Основная классификация легированных сталей проводится по содержанию легирующих элементов, по структуре, по назначению.

1. По содержанию легирующих элементов стали подразделяются на: низколегированные (∑лег.эл. ~ 1 ÷ 3%) среднелегированные (∑лег.эл. ~ 3 ÷ 8%) высоколегированные (∑лег.эл. ≥ 10%)

2. По назначению стали подразделяются на: конструкционные легированные стали инструментальные легированные стали стали с особыми свойствами

3. По структуре (после нормализации, охлаждение на воздухе) стали подразделяются на 5 структурных классов:

· перлитный (структура перлита, сорбита или тростита) К ним относятся стали с низким содержанием легирующих элементов, средним содержанием углерода. На С-образной кривой линия охлаждения пересекает линии распада аустенита с образованием феррито-цементитых смесей. К этой группе относятся конструкционные машиностроительные стали. Заказать металлопласт или армированные металлопластиковые трубы оптом можно на сайте компании «Сантехцентр». Множество материалов для работы с сантехникой и трубами.

· мартенситный (структура мартенсита) К ним относятся среднелегированные и среднеуглеродистые стали. За счет увеличения устойчивости аустенита, С-образная сдвигается вправо и скорость охлаждения на воздухе становится больше критической скорости закалки, поэтому аустенит на распадаясь превращается в мартенсит. К этой группе относятся стали с особыми свойствами, инструментальные стали, некоторые конструкционные.

· аустенитный (структура аустенита) К этой группе относятся высоколегированные, низкоуглеродистые стали. Легирующие элементы значительно сдвигают С-образную кривую вправо и понижают Мн в область отрицательных температур. Тогда аустенит охлаждается до комнатной температуры не распадаясь и не претерпевая мартенситное превращение. Т.о. в этих сталях аустенит сохраняется в структуре при комнатной температуре. К этой группе относятся стали с особыми свойствами (нержавеющие,жаростойкие).

· ферритный (структура феррита) К ним относятся стали низкоуглеродистые и высоколегированные (элементами, расширяющими α-область – хром, кремний). Стали этой группы, не обладают высокими механическими свойствами и относятся к сталям с особыми свойствами (физическими и химическими)

·. карбидный (структура мартенсит и карбиды) К ним относятся высокоуглеродистые, средне- и высоколегированные стали. В составе обязательно наличие хотя бы одного карбидообразующего элемента. Эти стали обладают высокими характеристиками твердости и прочности. По назначению – инструментальные стали.

конструкционная сталь

конструкцио́нная сталь

общее название сталей, предназначенных для изготовления строительных конструкций и деталей машин илимеханизмов.

КОНСТРУКЦИО́ННАЯ СТАЛЬ, общее название сталей (см. СТАЛЬ), предназначенных для изготовлениястроительных конструкций и деталей машин или механизмов.
Углеродистые стали относятся к числу самых распространенных конструкционных материалов.Достоинствами сталей этого класса являются удовлетворительные механические свойства в сочетании стехнологичностью обработки и низкой стоимостью.
Выпускают углеродистые конструкционные стали трех групп: сталь обыкновенного качества, качественнуюсталь (общего назначения) и сталь специального назначения (котельную, мостовую, судостроительную и т.д.).
Сталь углеродистая обыкновенного качества — сплав железа с углеродом, характеризуется наличиемнерегламентированных примесей, неметаллических включений, газов. В ее составе также присутствуют внебольшом количестве кремний, марганец, фосфор и сера, примеси, каждая из которых оказываетопределенное влияние на механические свойства сталей. В сталях обыкновенного качества, применяемых встроительстве, содержание углерода составляет 0,06—0,62 %. Стали с низким содержанием углеродахарактеризуются высокой пластичностью и ударной вязкостью. Повышенное содержание углерода придаетстали хрупкость и твердость.
Конструкционные качественные углеродистые стали получают при более строгом соблюдении технологиивыплавки, и содержания в них вредных примесей (серы и фосфора) не должно превышать 0,03% для каждойиз примесей. Стали этой группы применяют в машиностроении и приборостроении для изготовленияметодом штамповки деталей кузовов автомобилей, корпусов, кожухов, сварных конструкций, резервуаров, ит.д. Применение специальных методов обработки (закалки (см. ЗАКАЛКА), нормализации (см. НОРМАЛИЗАЦИЯ)) позволяет использовать углеродистые качественные стали для изготовления деталей,испытывающих циклические нагрузки. Стали с повышенным содержанием марганца применяют в качестверессорно-пружинных изделий, а после горячей прокатки или термической обработки используют дляизготовления сварных и клепаных конструкций строительных форм, конструкций мостов. Марганцовистуюсталь применяют для изготовления магистральных нефтепроводов.
Основные недостатки углеродистых сталей — высокая критическая скорость закалки, небольшаяпрокаливаемость, невысокая стойкость к отпуску. Низколегированные стали после прокатки значительнопревосходят по техническим характеристикам углеродистые стали, они обладают малой склонностью ктермическому старению, хорошо свариваются.
Машиностроительные цементируемые легированные стали содержат 0,1—0,3% углерода и 0,2—4,4%легирующих элементов. В конструкционные легированные стали для улучшения свойств вводят Cr, Ni, W, Mo,V, B и другие примеси, а также Mn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание в углеродистыхсталях.
Большинство конструкционных легированных сталей является среднеуглеродистыми (0,25—0,45% углерода).Используют их после улучшения свойств путем закалки и отпуска, поэтому называют улучшенными.Наиболее распространенные среднеуглеродистые улучшенные стали — хромистые, марганцевые,кремнистые, хромоникелевые, хромокремнистые, хромомарганцевые, хромомарганцевокремистые. Этистали используют в производстве нагруженных и сильно нагруженных деталей машин.
Конструкционные легированные стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими вязкостно-прочностными свойствами. В этих сталях (кроме марганцевых) наблюдается мелкозернистая структура, ониглубже прокаливаются, закаливаются в масле или на воздухе, поэтому закалочные напряжения в нихменьше. При отпуске таких сталей требуется более высокая температура и более длительное времявыдержки, поэтому в них полнее снимаются закалочные напряжения и вязкость оказывается выше.
Стали специального назначения предназначены для мостостроения, к ним относятся рельсовая, осевая,бандажная и колесная стали.

20. стали с особыми качествами