Силаева_Помельникова_Констр_материалы (В.И. Силаева, А.С. Помельникова, М.В. Унчикова - Конструкционные материалы общего и специального назначения)

Московский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаВ.И. Силаева, А.С. Помельникова, М.В. УнчиковаКонструкционные материалы общегои специального назначенияМетодические указания к выполнению лабораторных работпо дисциплине «Материаловедение»1УДК 669.018ББК 30.3С36Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ruпо адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/46/book1229.htmlФакультет «Машиностроительные технологии»Кафедра «Материаловедение»Рекомендовано Редакционно-издательским советомМГТУ им.

Н.Э. Баумана в качестве методических указанийРецензентд-р техн. наук, профессор В.С. ЛясоцкаяС36Силаева, В. И.Конструкционные материалы общего и специальногоназначения : методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение» / В. И. Силаева, А. С.

Помельникова, М. В. Унчикова. — Москва : Издательство МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2015. — 31, [9] с. : ил.ISBN 978-5-7038-4195-2Приведены сведения, необходимые для освоения метода микроструктурных исследований и выполнения сравнительного анализаструктурно-фазового состояния и свойств основных групп конструкционных материалов. Особое внимание уделено изучению состава, принципов маркировки, структуры, термической обработки,свойств, области применения легированных сталей, а также медных,алюминиевых и титановых сплавов. При выполнении лабораторныхработ студенты проводят микроструктурные исследования, позволяющие получить навыки самостоятельной экспериментальной работы, по химическому составу определяют марки сплавов, назначают режимы упрочняющей термической обработки.Для студентов машиностроительных специальностей, изучающих дисциплину «Материаловедение».УДК 669.018ББК 30.3ISBN 978-5-7038-4195-22© МГТУ им.

Н.Э. Баумана, 2015© Оформление. ИздательствоМГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015ВВЕДЕНИЕКонструкционными называют материалы, предназначенныедля изготовления деталей приборов, машин и конструкций. Общим требованием к конструкционным материалам, применяемымв машиностроении, является сочетание высокой конструкционнойпрочности и технологичности. При выборе конструкционных материалов необходимо учитывать экономические факторы.

Самымидешевыми и наиболее распространенными металлическими конструкционными материалами являются углеродистые стали, однако они обладают невысокой прочностью и небольшой прокаливаемостью (критический диаметр прокаливания не превышает12 мм). Высокие значения критической скорости при закалке и,как следствие, необходимость резкого охлаждения при закалке,приводящего к значительным остаточным напряжениям, позволяют использовать углеродистые стали для изготовления деталейнебольшого сечения и несложной формы.К преимуществам легированных сталей относят более высокиезначения конструкционной прочности и прокаливаемости. Многиелегированные стали обладают такими специальными свойствами,как жаропрочность, жаростойкость, коррозионная стойкость и т.

д.Увеличение стоимости деталей при применении легированныхсталей или цветных металлов и сплавов должно быть обоснованонеобходимостью обеспечения свойств, присущих только этим материалам. Например, в легированных сталях аустенитного классасочетаются высокая коррозионная стойкость, жаростойкость и жаропрочность, в алюминиевых сплавах — высокая удельная прочность и хорошие технологические свойства.

Достоинства медныхсплавов определяются высокой коррозионной стойкостью, хорошими антифрикционными и технологическими свойствами. Титановые сплавы обладают высокой удельной прочностью, малойплотностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью, хорошими технологическими свойствами.3Цель лабораторных работ — изучение структуры и свойствлегированных сталей, сплавов на основе меди, алюминия и титана.После выполнения лабораторных работ студенты смогут:• самостоятельно проводить микроструктурные исследования;• анализировать с помощью диаграмм состояния влияние химического и фазового состава на механические и технологическиесвойства материалов;• выбирать технологические режимы процессов термической ихимико-термичеcкой обработки для достижения необходимыхсвойств материалов.4Лабораторная работа № 1ЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ1.1.

Краткая характеристикалегированных конструкционных сталейЛегированными называют стали, которые помимо железа, углерода и постоянных примесей содержат элементы (легирующие),обеспечивающие те или иные специальные свойства. В качестветаких элементов наиболее часто применяют Cr (Х), Ni (Н), Mn (Г),Si (С), W (В), V (Ф), Mo (М), Ti (Т). В скобках приведено буквенное обозначение элементов в марках стали.Конструкционные стали маркируют двузначным числом, показывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента,затем следуют буквы, соответствующие обозначению легирующихэлементов, и цифры, показывающие их количество в процентах.Если содержание элемента не превышает 1,5 %, то его количествоне указывают.

Например, сталь 18Х2Н4ВА содержит в среднем0,18 % С, 2 % Cr, 4 % Ni, менее 1 % W. Буква А означает, что стальвысококачественная, c низким содержанием вредных примесейS ≤ 0,025 %, Р ≤ 0,025 %. Если S ≤ 0,04 %, Р ≤ 0,035 %, то сталь качественная и буква А в марке отсутствует (например, 18ХГТ).Кроме качественных и высококачественных, легированные сталибывают особовысококачественными (S ≤ 0,015 %, Р ≤ 0,025 %),выплавляемыми с применением электрошлакового переплава, начто указывает буква Ш в конце марки (например, 30ХГС-Ш).При введении в сталь легирующих элементов изменяются ееструктура и свойства.

Изменяя температуру полиморфного превращения железа, легирующие элементы влияют на температуруфазовых равновесных и неравновесных превращений сплавов системы Fe–Fe3C.5По влиянию на температуру равновесных фазовых превращений легирующие элементы можно подразделить на две группы —аустенитообразующие и ферритообразующие.Аустенитообразующие элементы (Ni, Mn, C, N) расширяютобласть аустенита на диаграмме состояния, повышая температуруА4 и понижая А3 (рис. 1.1, а). Если концентрация легирующегоэлемента больше значения х (см. рис. 1.1, а), то аустенитная структура устойчива при комнатной температуре, такие стали называютаустенитными.Рис.

1.1. Схема влияния аустенитообразующих (а)и ферритообразующих (б) легирующих элементовна полиморфизм железаФерритообразующие элементы (Cr, Mo, W, V, Si и др.) увеличивают температурный интервал устойчивости феррита, понижаятемпературу А4 и повышая А3 (рис. 1.1, б). Стали с концентрациейлегирующего элемента, превышающей значение у (см. рис. 1.1, б),имеют устойчивую ферритную структуру вплоть до линии солидуса, и их называют ферритными.Таким образом, по равновесной (отожженной) структуре легированные конструкционные стали подразделяют на доэвтекто6идные феррито-перлитные, аустенитные и ферритные.

Углеродистые конструкционные стали могут иметь только феррито-перлитную структуру.Легирующие элементы повышают прочность сталей при их использовании в термически упрочненном состоянии — после закалки и отпуска. В связи с этим обеспечение необходимой прокаливаемости, которая определяется глубиной закаленного слоя, —важнейшая задача легирования. Все легирующие элементы, кромекобальта, снижают критическую скорость закалки и, следовательно, увеличивают прокаливаемость.По структуре после охлаждения на воздухе от температуры900 °С (нормализация) стали подразделяют на следующие классы:перлитный, мартенситный, аустенитный и ферритный.Углеродистые и низколегированные стали (суммарное содержание легирующих элементов не превышает 5 %) относятся к перлитному классу.

Эти стали имеют невысокую устойчивость аустенита к эвтектоидному превращению и при охлаждении на воздухеприобретают структуру перлитного типа (рис. 1.2, а).Рис. 1.2. Положение температур начала Мн и конца А1 мартенситного превращения для сталей перлитного (а), мартенситного (б) и аустенитного (в) классов ( — время)В средне- и высоколегированных сталях (суммарное содержание легирующих элементов соответственно 5…10 % и более 10 %)уменьшение критической скорости может быть настолько существенным, что получение мартенсита возможно при охлаждении7стали на воздухе. Стали, которые можно закаливать на воздухе,называют мартенситными (рис.

1.2, б).Структурные классы аустенитных и ферритных сталей совпадают по классификации как в отожженном, так и нормализованном состояниях (рис. 1.2, в).В зависимости от типичной упрочняющей обработки конструкционные стали подразделяют на улучшаемые, цементуемые и т. д.Улучшаемые стали содержат 0,3…0,5 % С. В результате термической обработки, носящей название «улучшение» (закалка +высокий отпуск), стали приобретают структуру сорбита отпуска(ферритно-карбидная смесь с частицами карбидов зернистой формы).

Такая структура обеспечивает хорошее сочетание прочностных характеристик, пластичности и ударной вязкости, а также малую чувствительность к концентраторам напряжений.Легирующие элементы, растворяясь в феррите (основной структурной составляющей), повышают его прочность, однако большинство из них снижает ударную вязкость стали, особенно если их концентрация выше 1 % (рис. 1.3). Исключение составляет никель.Марганец и хром при содержании до 1 % повышают ударную вязкость; при большей концентрации она снижается. В связи с этим вРис. 1.3. Влияние легирующих элементов на твердость (а) и ударную вязкость (б) феррита8машиностроении широко применяют комплексно легированныеконструкционные стали с концентрацией каждого элемента 1…2 %.С повышением содержания легирующих элементов, особеннопри комплексном легировании, повышается прокаливаемость деталей из этих сталей.

В составе комплексно легированных сталей почти всегда присутствует хром. Для повышения пластичности иударной вязкости в стали вводят 1…5 % Ni. Такие элементы, какмолибден и вольфрам, устраняют склонность к обратимой отпускной хрупкости, к которой склонны хромистые, хромоникелевые инекоторые другие стали. Присутствие молибдена, вольфрама и ванадия, кроме того, способствует сохранению при нагреве мелкогозерна. Тугоплавкие элементы повышают устойчивость мартенситапри отпуске вследствие замедления диффузионных процессов.

Распад легированного мартенсита происходит при более высоких температурах отпуска, обеспечивая такое свойство, как теплостойкость.Улучшаемые стали предназначены для изготовления валов,шатунов и других ответственных деталей, работающих в условияхударных или циклических нагрузок.Цементуемые стали содержат до 0,3 % С. После цементации,последующей закалки и низкого отпуска стали имеют твердую поверхность (HRC ≥ 60) и более мягкую и вязкую сердцевину. Такаяструктура требуется деталям, работающим в условиях износа изнакопеременных нагрузок (шестерни, оси, валики, втулки и т. п.).Многие легированные стали входят в группу машиностроительных материалов с особыми физико-химическими свойствами иобладают коррозионной стойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью и т.

д. К таким материалам относятся, в том числе, хромоникелевые стали аустенитного класса, содержащие 18 % Cr и9…10 % Ni (12Х18Н9 и др.).При содержании в твердом растворе на базе железа более12 % Сr сталь обладает высокой стойкостью против коррозии вовлажной атмосфере, в растворах кислот и солей. Кроме высокойкоррозионной стойкости преимуществами аустенитных сталей являются высокая пластичность и вязкость, хорошая свариваемость.Максимальные значения коррозионной стойкости, жаростойкости,пластичности и вязкости стали имеют в закаленном состоянии, когда весь хром находится в твердом растворе. Однако при нагревезакаленной стали (например, при сварке) в диапазоне температур9400…800 °С по границам зерен аустенита выделяется избыток углерода в виде карбидов хрома Cr23C6. В случае образования карбидной сетки границы зерен становятся анодами и в агрессивнойсреде происходит межкристаллитная коррозия (МКК).