4622 Теория 40 (Теория по материаловедению), страница 9

1. Углеродистые конструкционные стали. Они бывают обыкновенного качества и качественные. Стали обыкновенного качества бывают следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. В зависимости от условий и степени раскисления различают спокойные “сп”, полуспокойные “пс” и кипящие “кп”. Спокойные стали получают полным раскислением стали в печи, а затем в ковше. В них содержится больше Si и меньше О, чем в полуспокойных и кипящих, меньше вредных примесей (S, P, N).

2. Легированные конструкционные стали. Эти стали применяются для тяжелонагруженных металлоконструкций в различных отраслях промышленности. Используют следующие легирующие элементы: недорогие Mn, Si, Cr, а также Ti, V, B и дорогие Ni, Mo, W, Nb и др. Стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов не превышает 2,5 %, относятся к низколегированным, содержащие 2,5-10 % - к высоколегированным. В строительстве широкое применение получили низколегируемые стали, а в машиностроении - легированные. К высоколегированным сталям относятся коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные и др. Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами. Двузначные цифры в начале марки указывают содержание углерода, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент: А - азот, Б - ниобий, В - вольфрам, Г - марганец, Д - медь, Е - селен, К - кобальт, Н - никель, М - молибден, П - фосфор, Р - бор, С - кремний, Т - титан, Ф - ванадий, Х - хром, Ц - цирконий, Ч - редкоземельный, Ю - алюминий. Цифры после букв указывают содержание легирующего элемента в целых процентах, отсутствие цифры указывает, что содержание легирующего элемента не превышает 1,5 %.

3. Износостойкие стали. Для изготовления деталей, работающих на износ в условиях абразивного трения и высоких давлений и ударов (траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки землечерпательных машин и д. р.) применяют высокомарганцевую литую аустенитную сталь 110Г13Л. Эта сталь обладает высокой износостойкостью только при ударных нагрузках. Высокой стойкостью при циклическом контактно-ударном нагружении и ударно-абразивном изнашивании обладает литая сталь 60Х5Г10Л, притерпевающая при эксплуатации мартенситное превращение.

4. Коррозионно-стойкие и жаростойкие стали и сплавы. Сталь, устойчивую к газовой коррозии при Т  500 ⁰С, называют жаростойкой. Стали, устойчивые к электрохимической, химической (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной и др. видам коррозии, называют коррозионно-стойкими (нержавеющими). Жаростойкость достигается введением в сталь Cr, Al или Si. Для изготовления деталей печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные (12Х17, 15Х25Т и др.) и аустенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2 и др.) стали.

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами. Основным требованием, предъявляемым к этим сталям является обеспечение определенного уровня физических свойств. Многие из этих сплавов изготовляются с очень высокой точностью химического состава и технологии производства.

1. Металлические стекла (аморфные сплавы). Их получают путем охлаждения расплава со скоростью, превышающей скорость кристаллизации (10⁶ - 10⁸ К/с), поэтому после затвердевания металл имеет аморфное строение. Аморфное состояние легче достигается в сплавах Al, Pb, Sn, Cu и др. Для получения этих сплавов на базе Ni, So, Fe, Mn, Cr к ним добавляют С, Р, Si, B, As, S и др. (аморфообразующие элементы). Эти сплавы чаще отвечают формуле М80Х20 (Fe₈₀P₁₃C, Ni₈2P₁₈, Ni₈₀S₂₀). Аморфное состояние металлов метастабильно. При нагреве происходит процесс кристаллизации и сплав переходит в стабильное состояние. Свойства аморфных сплавов значительно отличаются от свойств кристаллических сплавов (высокие пределы упругости и текучести, низкие потери на вихревые токи). Сплавы на основе Fe, содержащие более 3 - 5 % Cr, обладают высокой коррозионной стойкостью. Аморфные сплавы Fe, Co, Ni с добавками 15 - 25 % В, С, Si, P используют как магнитно-мягкие материалы. Их делят на 3 группы:

• на основе Fe (Fe₈₁Si_3,5B_13,5C₂), обладают высокой магнитной индукцией;

• железоникелевые сплавы (Fe₄₀Ni₄₀P₁₄B₆), средней магнитной индукцией;

• на основе Co (Со₆₆Fe₄(Mo, Si, B)₃₀) - низкой индукцией, но высокими механическими свойствами.

2. Стали и сплавы с высоким электрическим сопротивлением для нагревательных элементов. Структура этих сталей и сплавов - твердый раствор. Они должны обладать высоким электросопротивлением, окалиностойкостью и достаточной прочностью. Сплавы на железной основе - это хромоалюминиевые низкоуглеродистые сплавы ферритного класса: Х13Ю4 (фехраль), ОХ23Ю5 (хромель), ОХ27Ю5А. Сплавы на никелевой основе - это сплавы никеля с хромом Х20Н80 (нихромы) с рабочей температурой до 1050 ⁰С, а также нихромы с Fe (25 %) Х15Н60 (ферронихромы) с рабочей температурой 1000 ⁰С. Эти сплавы применяют для нагревателей электропечей, бытовых приборов, резисторов, терморезисторов и др.

3. Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения. Эти сплавы широко применяются в машиностроении и приборостроении. Наиболее распространены сплавы Fe с Ni:

— 36Н (инвар - 0,5 % С, 36 % Ni, остальное Fe). Изготовляют штриховые меры в метрологии, детали геодезических мерных приборов. Коэффициент линейного расширения  = 1,510^{-6 0}С^-1;

— 29НК (ковар - 29 % Ni, 18 % Со, остальное Fe).

Ч У Г У Н

Чугун - это сплав Fe с C ( 2,14 %). Используется исключительно в качестве литейного сплава. Углерод находится в чугуне в виде цементита или графита, или одновременно - цементита и графита. Чугун, в котором весь С находится в виде цементита, называют белым. Графит придает излому чугуна серый цвет, поэтому чугун называют серым. В зависимости от формы графита чугуны различают серый, высокопрочный и ковкий.

1. Серый и белый чугуны. Серый чугун (технический) - сплав Fe - Si - C с примесями Mn, P и S (большая часть или весь С - в виде графита). В зависимости от содержания С, связанного в цементит, различают:

— белый чугун, весь С в виде цементита (Fe₃С). Структура - перлит, ледебурит и цементит;

— половинчатый чугун, большая часть С ( 0,8 %) в виде Fe₃C. Структура - перлит, ледебурит и пластинчатый графит;

— перлитный серый чугун, часть С (0,7 - 0,8 %) в виде Fe₃C, входящего в состав перлита. Структура - перлит (сорбит) и пластинчатый графит;

— ферритно-перлитный серый чугун, часть С (0,7 - 0,1 %) в виде Fe₃C. Структура - перлит, феррит и пластинчатый графит;

— ферритный серый чугун, весь С находится в виде графита. Структура - феррит и пластинчатый графит.

2. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ЧШГ). Высокопрочными называют чугуны с шаровидным графитом. Для получения шаровидного графита чугун модифицируют Mg (0,03 - 0,07 %) или другими модификаторами. Эти чугуны маркируют по ГОСТ 7293 - 85. Например ВЧ50 означает: “В” - высокопрочный, “Ч” - чугун, “59” - значение временного сопротивления (в 10^-1 МПа). ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45 - ферритные чугуны; ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100 - перлитные. Эти чугуны широко применяются при больших нагрузках в различных отраслях.

3. Ковкий чугун. Получают отжигом отливок из белого чугуна. Его металлическая основа - феррит и реже перлит. Толщина сечения отливок до 40 - 50 мм. Маркируют по ГОСТ 1215 - 79. Например КЧ37-12 означает: “К” - ковкий, “Ч” - чугун, “37” - временное сопротивление (в 10^-1 МПа), “12” - относительное удлинение. К37-12 и КЧ35-10 - ферритные чугуны, используемые для деталей, работающих при высоких динамических и статических нагрузках (ступицы, крюки, скобы и т. д.). КЧ30-6 и КЧ33-8 - для менее ответственных деталей (фланцы, муфты, глушители, гайки и т. д.). Твердость ферритных чугунов 163 НВ. КЧ50-5 и КЧ55-4 - перлитные чугуны, обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами. Твердость перлитных чугунов 241 - 269 НВ. Из него изготовляют вилки корданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, втулки, муфты и т. п. Этот чугун применяют для тонкостенных деталей. Некоторое применение нашли антифрикционные ферритно-перлитные чугуны АЧК-1 и АЧК-2. Иногда для повышения механических свойств ковкого чугуна применяют нормализацию или закалку с высоким отпуском.

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ.

Aюминий (Al) Алюминий-элемент третьей группы периодической системы Менделеева, металл серебристо-белого цвета, важнейший из так называемых легких металлов. Al примерно в 3 раза легче железа (Fe) и меди. Кристаллическая решетка Al -куб с центрированными гранями. Благодаря кубической решетки металл, как правило, обладает хорошей деформацией, также технологичен - легко поддается обработке давлением - прокатке, прессованию, ковке, штамповке. Многие Al сплавы не становятся хрупкими даже при температуре жидкого водорода или гелия. Прочность чистого Al невелика - примерно 6-8 кг/мм , но уже созданы его сплавы, прочность которых в 6 раз выше: 70-75кг/мм , как у среднелегированной стали. Al обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью (из технических металлов только медь превосходит его по этим характеристикам). Чистый Al и в особенности некоторые сплавы обладает очень высокой коррозионной стойкостью в воде, в том числе в кипящей. Для электротехнических целей используют алюминий технической чистоты АЕ, содержащий не более 0,5% примесей. Алюминий высокой чистоты А97 (не более 0,03% примесей) применяют для изготовления алюминиевой фольги, электродов и корпусов электролитических конденсаторов. У алюминия особой чистоты А999 примеси не превышают 0,001%.

СПЛАВЫ АЛЮМИНИЯ Наибольшее распространение получили сплавы систем Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si; а также Al-Zn-Mg-Cu. Все сплавы Al можно разделить на три группы: 1) деформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей труб и т.д.), а также поковок и штамповок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки. 2) литейные сплавы, предназначенные для фасонного литья; 3) сплавы, получаемые методом порошковой металлургией (САП -спеченные алюминиевые порошки, САС -спеченные алюминиевые сплавы).

ЗАКАЛКА Аl СПЛАВОВ заключается в нагреве сплава до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или большей частью растворяются в Аl, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до комнатной температуры для получения пересыщенного твердого раствора.

СТАРЕНИЕ Аl СПЛАВОВ заключается в выдержке сплава при комнатной температуре несколько суток (естественное старение)или в течение 10-24 ч при повышенной температуре (искусственное старение).В процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, что сопровождается упрочнением сплава.

Дуралюмины. Дуралюминами называют сплавы Al-Cu-Mg, в которые дополнительно входят марганец. Дуралюмины после закалки подвергают естественному старению, которое наиболее интенсивно протекает в первые сутки после закалки и практически заканчивается в течение 4-5 сут. Понижение температуры тормозит старение, а повышение увеличивает скорость процесса, но понижает пластичность и сопротивление коррозии. Дуралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием и хорошо свариваются точечной сваркой.

Сплавы авиаль. Этот сплав уступает дуралюминам по прочности, но обладает лучшей пластичностью в холодном и горячем состоянии, удовлетворительно свариваются контактной и аргоно-дуговой сваркой и хорошо сопротивляется коррозии. Авиаль обладает высоким пределом выносливости. Упрочняющей фазой в этом сплаве является соединение Mg Si. Из авиаля изготавливают лопасти винтов вертолетов, кованные детали двигателей, рамы, двери и т.д., для которых требуется высокая пластичность в холодном и горячем состояниях.

Медь. Медь, Cu, химический элемент 1 группы периодической системы Менделеева; мягкий ковкий металл красного цвета. Медь относится к числу металлов, известных с глубокой древности. Раннему знакомству человека с медью способствовало то, что она встречается в природе в свободном состоянии в виде самородков. Цвет меди - красный, в изломе розовый, при просвечивании в тонких слоях зеленовато-голубой. Металл имеет гранецентрированную кубическую решетку с параметром а=3,6074А ; плотность 8,96г/см³ (20⁰С). Наиболее важные и широко используемые свойства меди: высокая теплопроводность и малое электрическое сопротивление. .Медь диамагнитна. Большая роль меди в технике обусловлена рядом ее ценных свойств и прежде всего в высокой электропроводности, пластичности, теплопроводности. Благодаря этим свойствам медь - основной материал для проводов. Свыше 50% добываемой меди применяют в электротехнической промышленности. Все примеси понижают электропроводность меди, а потому в электротехнике используют металл высших сортов, содержащий не менее 99,9% Cu. Высокие теплопроводность и сопротивление коррозии позволяют изготовлять из меди ответственные детали теплообменников, холодильников, вакуумных аппаратов и т.п. Около 30-40% меди используют в виде различных сплавов, среди которых наибольшее значение имеют латуни (до 50% Zn) и различные виды бронз: оловянистые, алюминиевые, свинцовистые, берилливые и др.