Утверждена приказом № ______ от __________ «УТВЕРЖДАЮ» Директор ФКП образовательное учреждение № 228 ____________ А.И. Сазонов «____» __________ 2023 г. Рабочая программа учебной дисциплины «Материаловедение» для профессиональной подготовки квалифицированных рабочих по профессии 40.093 Сверловщик Срок обучения 5 месяцев Тема 1. Ведение Материальное тело построено из молекул, состоящих из атомов. Атом состоит из ядра и электронной оболочки. В состав ядра входят протоны и нейтроны (ядро атома водорода не имеет нейтронов). Электронная оболочка атома содержит электроны, которые вращаются вокруг ядра. Протон является элементарным зарядом положительного электричества, электрон – элементарным зарядом отрицательного электричества, в то время как нейтрон электрически нейтрален. Химические элементы – это вещества, состоящие из атомов одного вида. При использовании обычных химических методов эти вещества разложить нельзя. Химическими элементами являются, например, железо, цинк, свинец, олово, ртуть, алюминий, кислород, сера, радий, водород и т. д. В настоящее время известно 104 химических элемента. Химическим соединением называется вещество, образованное из разных химических элементов, например, нефть, соляная кислота, газ, вода, спирт и т. д. Химические соединения имеют характерные свойства, отличные от свойств входящих в них химических элементов. Металлы относятся к одной группе химических элементов. Общие свойства металлов: высокие тепло– и электропроводность, ковкость и обрабатываемость, большая механическая выносливость и твердость. Металлы отличаются большим или меньшим блеском, а также непрозрачностью. Химически чистые металлы в промышленности используются редко. Чаще используются технически чистые металлы, содержащие кроме основного металла определенное количество небольших добавок других элементов. Этим они отличаются от химически чистых металлов. В большинстве случаев используются сплавы металлов. Металлы, встречающиеся в природе в химически чистом виде (золото, серебро), называются благородными металлами. Химические соединения металлов, встречающиеся в земной коре, называются металлическими рудами (медные, цинковые, железные руды и т. д.). Сплавы металлов получают из разных металлов путем их соединения в расплавленном состоянии. Кислород – это бесцветный газ без вкуса и запаха. Один литр кислорода под давлением в 1 атмосферу и температуре 0 °C весит 1,429 г. Кислород, необходимый для существования различных форм жизни на земле, участвует в химических процессах, образуя химические соединения. Используется для поддержания процессов горения. К основному сырью для получения металлов относятся железные, медные, цинковые, оловянные, свинцовые, алюминиевые и другие руды, сера, уголь, нефть, древесина и другие материалы. Удельный вес железа – 7,86 г/см3. Целью преподавания дисциплины является научить инженеров применять основные методы управления конструкционной прочностью материалов и проводить обоснованный выбор материала для изделий с учетом условий их эксплуатации. Для достижения поставленной цели при изучении дисциплины решаются следующие основные задачи: приобретение знаний по оценке технических свойств материалов, исходя из условий эксплуатации и изготовления изделия; формирование научно обоснованных представлений о возможностях рационального изменения технических свойств материала путем изменения его структуры; ознакомление со способами упрочнения материалов, обеспечивающими надежность изделий и инструментов; ознакомление с основными группами современных материалов, их свойствами и областью применения. Преподавание дисциплины базируется на знаниях, полученных в курсе “Физика”: На момент начала изучения дисциплины «Материаловедение» студентам необходимо знание следующих понятий: нагрузка, напряжение, деформация упругая и пластическая, работа, энергия, агрегатное состояние вещества, термодинамическая система, параметры термодинамической системы, внутренняя энергия, атомно-кристаллическое строение металлов, типы связей частиц в твердом теле, основные физические свойства металлов. Материаловедение подготавливает студента к освоению специальных дисциплин изучающих основные производственные технологии и процессы. Знание основ материаловедения необходимо инженеру, работающему в сфере эксплуатации современных машин и конструкций. Тема 2. Основные сведения о металлах и сплавах, их строении, свойствах и методах испытания Все свойства металлов и сплавов принято подразделять на группы: физические, химические, технологические, механические и эксплуатационные. Физические свойства определяют поведение металлических материалов в тепловых, электромагнитных, радиационных полях. К физическим свойствам относятся плотность, температура плавления, теплоемкость, теплопроводность, электропроводность, магнитные характеристики, термическое расширение. Химические свойства характеризуют способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами и химическими элементами, а также способность металлов и сплавов сопротивляться воздействию агрессивных сред, в том числе окислению. Технологические свойства характеризуют способность материалов подвергаться холодной и горячей обработке, в том числе при обработке резанием, ковке, сварке, литье. К технологическим свойствам относятся обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства (жидкотекучесть – способность жидкого металла заполнять литейную форму; усадка – уменьшение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое; ликвация – химическая неоднородность в отливках; склонность к образованию трещин – вероятность образования литейных трещин и пор в процессе затвердевания в литейной форме). К механическим свойствам относятся твердость, прочность, пластичность, упругость, вязкость. Эксплуатационные свойства характеризуют поведение материала в заданных рабочих условиях. К эксплуатационным свойствам относятся жаропрочность, жаростойкость, хладноломкость, усталость, износостойкость. Для выбора материала и оценки его длительной работоспособности и надежности наиболее важными являются механические и эксплуатационные свойства. Поэтому именно эти группы свойств и методы их определения будут рассмотрены подробно. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Многообразие условий службы и обработки материалов определяет необходимость проведения большого числа механических испытаний с целью получения целого комплекса значений механических свойств. В зависимости от способа нагружения образца различают статические, динамические и циклические испытания. Рассмотрим основные механические свойства и их количественные характеристики. ТВЕРДОСТЬ Твердость - свойство материала сопротивляться воздействию внешних нагрузок при непосредственном соприкосновении. Все методы измерения твердости имеют одинаковый принцип: вдавливание в поверхность образца инородного тела (индентора) различной формы, размера с различной нагрузкой. Различают следующие методы определения твердости: 1. Метод Бринелля (индентор – стальной шарик); 2. Метод Роквелла (индентор - алмазный конус или стальной шарик); 3. Метод Виккерса (индентор - алмазная пирамидка). Схемы этих методов приведены на рис. 4.1. Рис. 4.1. Схема определения твердости: а) - по Бринеллю; 6) - по Роквеллу; в) - по Виккерсу Метод Бринелля Испытание по методу Бринелля (рис. 4.1, а) состоит из вдавливания в испытуемое тело стального шарика диаметром D под действием постоянной нагрузки Р ( Р=1000 кг — для цветных металлов; Р—3000 кг — для черных металлов) и измерении диаметра отпечатка d на поверхности образца. Число твердости по Бринеллю НВ определяется величиной нагрузки Р, деленной на сферическую поверхность отпечатка. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость металла. На практике твердость определяют не по формулам, а по специальным таблицам, исходя из диаметра отпечатка d. Твердость по Бринеллю обозначается НВ, где Н – твердость, В – метод Бринелля. Твердость по Бринеллю измеряется в МПа. Метод Роквелла Измерение твердости по этому методу проходит быстрее и удобнее, чем по методу Бринелля, так как значение твердости выводится на шкалу прибора. При испытании по методу Роквелла (рис. 4.1, б) индентором служит алмазный конус или для более мягких материалов - стальной шарик. Конус и шарик вдавливаются в металл с различной нагрузкой. На приборе имеются три шкалы. При испытании алмазным конусом и нагрузке Р= 150 кг шкала обозначается С, а твердость обозначается HRC, при испытании алмазным конусом, но с нагрузкой Р = 60кг шкала обозначается A, а твердость - HRA, при испытании стальным шариком с нагрузкой 100кг шкала обозначается В, а твердость - HRB (таблица 4.1). Таблица 4.1. Шкалы прибора Роквелла. Обозначение шкалы Цвет шкалы прибора Индентор Нагрузка Р, кг НRA Черный Алмазный конус 60 HRB Красный Стальной шарик 100 HRC Черный Алмзный конус 150 Единицы твердости по Роквеллу — безразмерные величины. Метод Виккерса Твердость по Виккерсу (рис. 4.1, в) определяют путем вдавливания правильной четырехгранной пирамидки под действием нагрузки Р и измерения диагонали отпечатка d. Нагрузка меняется от 1 до 100 кг. Число твердости по Виккерсу HV определяют с помощью специальных таблиц по величине диагонали отпечатка. Метод Виккерса служит для измерения твердости в тонких сечениях и поверхностных слоях. Измеряется в МПа и обозначается HV. Под воздействием приложенной к образцу нагрузки материал начинает деформироваться. На разных этапах растяжения образца в материале возникают разные виды деформации: упругая и пластическая, механизм которых носит различный характер. Виды деформации. Упругая деформация — обратимая деформация, т.е. полностью исчезает после снятия нагрузки. Механизм упругой деформации заключается в смещении атомов на небольшие расстояния около своего равновесного положения в кристаллической решетке и последующего возвращения в исходное состояние под действием сил межатомного взаимодействия (сил притяжения в случае растяжения и сил отталкивания в случае сжатия). Пластическая деформация — необратимая (остаточная) деформация. Накапливается в материале по мере приложения нагрузки, сопровождается видимыми изменениями размеров образца. Механизм пластической деформации заключается в движении и размножении дислокаций с одновременным увеличением их плотности по кристаллографическим плоскостям (рис.4.4.). Механизмы движения дислокаций совпадают с механизмами самой пластической деформации. Рис.4.4. Схема пластической деформации путем последовательных перемещений дислокации в кристаллической решетке. Рассмотрим механические свойства и их количественные характеристики, определяемые из диаграммы растяжения. Жесткость При малых напряжениях приложение нагрузки вызывает только упругую обратимую деформацию. В этой области нагружения деформация ε, строго пропорциональна напряжению σ и между ними имеется линейная зависимость: σ = Е∙ε, где Е - модуль упругости (модуль Юнга), размерность МПа. Модуль упругости является количественной характеристикой жесткости материала и определяется, как тангенс угла наклона α на прямолинейном отрезке диаграммы растяжения OA (рис.4.5) .Модуль упругости определяется силами межатомного взаимодействия и практически не зависит от состава и структуры материала. . Рис.4.5. Диаграмма растяжения для определения количественных характеристик механических свойств Упругость Упругость – способность материала восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки. Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией, однако деформация практически является упругой. В материале фиксируются лишь ничтожные доли остаточной деформации, которая называется микропластическая деформация. Количественной характеристикой упругости является условный предел упругости - напряжение, при котором остаточная микродеформация равна определенной заданной величине в пределах от 0,001 до 0,05%. Условный предел упругости обозначается σ0,05, размерность - МПа. Прочность Прочность является одной из наиболее важных механических свойств металлов и сплавов при оценке их работоспособности. Прочность – способность материалов сопротивляться воздействию внешних нагрузок. Пластичность Пластичность - способность материалов деформироваться под воздействием внешних нагрузок. Количественные характеристики пластичности - относительное удлинение и относительное сужение. Таким образом, стандартными характеристиками механических свойств, определяемые методом статических испытаний, являются : жесткости Е; упругости σ0,05, ; прочности σв, σ0,2 , σТ ; пластичности δ, ψ. В авиационно-космической технике, где большое значение имеет плотность конструкционных материалов γ, распространение получили расчетные характеристики прочности: удельная прочность σв / γ, удельный модуль упругости - Е / γ. При увеличении нагрузки (напряжения) выше значений предела прочности материала он разрушается. Процессу разрушения предшествует зарождение трещин в материале, причем механизм зарождения трещин в металле носит одинаковый характер и является дислокационным механизмом. Скопление большого числа дислокаций у какого-либо препятствия в структуре материала приводит к зарождению в этом объеме микроскопических трещин, которые впоследствии под воздействием внешних параметров, в том числе и нагрузки, начинают развиваться вплоть до разрушения материала. Если механизм зарождения трещин является одинаковым для разных металлов, то механизм распространения трещин в металле и сам процесс разрушения носит различный характер. Различают два основных вида разрушений: вязкое и хрупкое. Тема 3. Теория сплавов Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство чугуна и стали по объему превосходит производство всех других металлов вместе взятых более чем в десять раз. Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов. Начало изучению диаграммы железо – углерод положил Чернов Д.К. в 1868 году. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода. Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – . Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до , то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего Диаграмма состояния железо – цементит представлена на рис. 9.1. углерода. Рис. 9.1. Диаграмма состояния железо - цементит Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит. 1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539oС 5oС. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911oСи 1392oС. При температуре ниже 911oСсуществует с объемно- центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392oСустойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392oСжелезо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется модификация или высокотемпературное . Высокотемпературная не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911oС превращения обозначают точкой , а температуру 1392oСпревращения точкойА4. При температуре ниже 768oСжелезо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768oС обозначаетсяА2. Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – , предел текучести – - ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – , а относительное сужение – ). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна. Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов. Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения. 2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления –3500 0С, плотность –2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления –5000 0С). В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах). 3. Цементит (Fe3C) –химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит6,67 %углерода. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550oС). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217oС. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки. Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом. Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов. В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит. 1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы. 2. Феррит (Ф) (C) – твердый раствор внедрения углерода в -железо. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 %при комнатной температуре (точкаQ), максимальную –0,02 %при температуре 727oС( точкаP). Углерод располагается в дефектах решетки. При температуре выше 1392oСсуществует высокотемпературный феррит ( ) ( (C), с предельной растворимостью углерода0,1 %при температуре 1499oС(точкаJ) Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности – ) и пластичен (относительное удлинение – ), магнитен до 768oС. 3. Аустенит (А) (С) – твердый раствор внедрения углерода в -железо. Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 %при температуре 727oС(точкаS), максимальную –2,14 %при температуре 1147oС(точкаЕ). Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение – ), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования. 4. Цементит – характеристика дана выше. В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный(ЦII),цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений.Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементитвторичный выделяется из аустенитаи располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементиттретичный выделяется из ферритаи в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен. Тема 4. Чугуны (производство, свойства, состав, марки, применение) Чугун – это сплав железа с углеродом, количество которого составляет от 2 до 3,6 %. Кроме того, в чугуне имеются примеси кремния, марганца, фосфора и серы. Легированный чугун – это чугун, в состав которого входят специальные добавки, такие как хром, никель и молибден. Легированный чугун отличается высокой коррозионной стойкостью и жаропрочностью, а также имеет хорошие механические свойства. Для процессов плавки применяются несколько видов топлива: газообразное, твердое и жидкое. Топлива могут быть естественными и искусственными. К газообразному естественному топливу относится природный, добываемый из земных недр газ, к газообразному искусственному – генераторный газ, ацетилен, светильный газ и др. К твердому естественному топливу относятся каменный уголь, бурый уголь, торф и древесина, а к твердому искусственному – кокс, брикеты и древесный уголь. К жидкому естественному топливу относится нефть, а к жидкому искусственному – продукты перегонки нефти: соляровое масло, керосин, бензин и др. Доменная печь – это шахтная печь для выплавки чугуна из железной руды, в которой исходные материалы для плавки перемешаны и постепенно опускаются навстречу поднимающимся горячим газам. Входящие в шихту исходные материалы – руда, топливо и флюсы – загружаются сверху через загрузочное устройство в колошник доменной печи, а нагретый воздух через фурмы подается в нижнюю цилиндрическую часть печи – горн. Получающийся в результате восстановления руды в доменной печи чугун и шлак скапливаются в металлоприемнике нижней части горна, образуя вследствие разницы удельных весов два слоя (чугун – нижний, шлак – верхний), которые периодически выпускаются через специальные отверстия – чугунную и шлаковую лётки. Внутри печь выложена огнеупорным кирпичом. Загрузка доменной печи производится сверху, слив чугуна и шлака – через нижнюю часть доменной печи. Доменная печь загружается железной рудой, топливом (коксом) и флюсом (известняком). К основным железным рудам относятся: магнетит (магнитный железняк), содержащий 55–65 % железа, гематит (красный железняк) – 55–58 % железа, лимонит – 35–55 % железа, гетит – 25–39 % железа, а также железный шпат, содержащий до 48 % железа. Обогащением руд называется удаление из железной руды различных примесей горных пород и других загрязнений. Обогащение руды можно производить механическим и магнитным способами. Доменный процесс – это процесс получения чугуна из руды в доменных печах. В результате многочисленных физических изменений и химических реакций, происходящих под воздействием высоких температур в доменной печи, из руды получается чугун. Этот процесс протекает при температуре в нижней части доменной печи (в горне) 1700 °C и в верхней части (в колошнике) – 550 °C. Основным продуктом доменного производства является чугун, побочными – доменный шлак, доменный газ и колошниковая пыль. В доменной печи получают белый (передельный) и серый (литейный) чугуны. Содержание углерода в чугуне 2–3,6 %. Белый чугун – твердый и хрупкий материал. Поэтому его механическая обработка затруднена. Это передельный чугун, используемый для получения стали и ковкого чугуна. В небольших количествах белый чугун используется для литья дорожных катков, где большое значение имеет твердость и отсутствует ударная нагрузка. Так как белый чугун содержит карбид железа, то на изломе он имеет белую окраску. Серый чугун (литейный) из-за малой усадки при литье и хорошей текучести применяется для литья. Серый чугун характеризуется большой прочностью на сжатие, однако плохо сопротивляется ударам. Его нельзя подвергать растяжению, скручиванию и гибке. В отличие от белого чугуна, серый чугун мягкий и хорошо обрабатывается. В зависимости от условий и режима плавки получают белый или серый чугуны. К химическим элементам, которые входят в состав чугуна и оказывают влияние на его свойства, относятся: сера – ухудшает текучесть и вызывает плохое заполнение форм, тормозит выделение графита, повышая из-за этого твердость чугуна; фосфор – дополнительно снижает текучесть чугуна, тормозит растворение цементита в железе, повышая твердость и хрупкость чугуна; кремний – интенсифицирует разложение цементита в чугуне и освобождение графита (при получении в доменной печи серого чугуна), улучшает литейные свойства и повышает мягкость чугуна; марганец – способствует образованию белого чугуна, причем незначительный процент марганца в сером чугуне увеличивает его механическую выносливость, а в общем способствует удалению серы из чугуна. Тема 5. Стали (производство, свойства, состав, марки, применение) Сталью называют сложный сплав железа с углеродом и другими элементами, в котором количество углерода составляет от 0,05 до 2 %. Литой сталью называют литейный (льющийся в формы) сплав железа с углеродом и другими элементами, в котором количество углерода составляет от 0,1 до 0,6 %. Стальное литье должно быть подвергнуто термической обработке. По способу получения различают: сталь мартеновскую (основную и кислую); сталь бессемеровскую; сталь томасовскую и электросталь. В зависимости от способа получения стали она выплавляется в мартеновских печах, бессемеровских конвертерах или электрических печах. Полученный в доменной печи чугун отливают в формы, в которых получают слитки, называемые чушками. Чугунные чушки после их остывания перевозят в сталеплавильный цех и подвергают дальнейшей обработке. Свойства выплавленного в доменных печах чугуна, а также технологический процесс получения определенного сорта стали определяют выбор способа получения стали (например, мартеновский, бессемеровский и др.). Полученную в плавильной печи сталь заливают в формы, называемые изложницами. Остывшая в изложницах сталь называется слитком. В прокатном цехе слитки подвергаются пластической холодной или горячей обработке. В результате такой обработки, а также в результате обработки резанием получают разного рода полуфабрикаты и готовые изделия. Литейные чугуны для изготовления из них заготовок деталей переплавляют в плавильных печах, называемых вагранками. Отливку производят в земляные или металлические формы. Все выплавляемые стали делятся на две принципиальные группы: углеродистые и легированные. Углеродистая сталь в зависимости от ее назначения подразделяется на конструкционную, инструментальную и специальную с особыми свойствами. В свою очередь, в зависимости от технологических и конструктивных особенностей эти стали подразделяются на несколько видов и групп. Легированная конструкционная сталь подразделяется на низколегированную (до 2,5 % легирующих элементов), среднелегированную (2,5–6 % легирующих элементов), высоколегированную (свыше 6 % легирующих элементов), литейную. По качеству они подразделяются на качественную, высококачественную и особо высококачественную. Легированные инструментальные стали и сплавы подразделяются на стали и сплавы для режущего и мерительного инструмента (для холодной обработки металлов резанием), быстрорежущие стали, легированные инструментальные стали для холодной и горячей обработки металлов давлением и твердые сплавы. К легированным сталям с особыми физико-механическими свойствами относятся стали с магнитными свойствами, рессорно-пружинные, проволочно-пружинные, коррозионно-стойкие, жаропрочные, жаростойкие, износостойкие, шарикоподшипниковые, литейные и ряд других. Характеристики легированных инструментальных сталей приведены в табл. 20. Быстрорежущей сталью является легированная инструментальная сталь. Ее используют для инструмента, работающего при больших скоростях резания, резьбонарезного инструмента и инструмента, работающего при относительно высоких температурах. Быстрорежущая сталь обозначается буквой Р. Например, Р9 обозначает, что быстрорежущая сталь имеет 8,5–10 % основного ее легирующего элемента – вольфрама; марка Р6М5 означает, что быстрорежущая сталь имеет вольфрама 5,5–6,5 % и молибдена 5,0–5,5 % и т. д. Некоторые данные по быстрорежущим сталям приведены в табл. 21. Углеродистая инструментальная сталь – это сложный сплав углерода (от 0,65 до 1,35 %) с железом, марганцем и кремнием. Обозначается буквой У, причем буква У перед цифрой говорит о том, что она углеродистая, а цифра указывает количество углерода в стали. Буква А после цифры обозначает, что сталь высококачественная. Например, У9А – это высококачественная углеродистая сталь с содержанием углерода 0,85–0,94 %. Конструкционные углеродистые стали обозначаются буквами Ст и подразделяются на три группы: А Б и В. Буквы Б и В, означающие группу стали, ставятся перед обозначением Ст. Группа А в обозначении не ставится. Каждая группа сталей имеет семь марок – от 0 до 6. Сталь всех групп с номерами марок 1, 2, 3 и 4 по степени раскисления изготавливается кипящей (кп), полуспокойной (пс) и спокойной (сп), с номерами 5 и 6 – полуспокойной и спокойной. Стали СтО и БСтО по степени раскисления не разделяются. Примеры определения сортов стали по маркировке: Ст3пс – углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества группы А, полуспокойная, с содержанием углерода 0,14–0,22 %. Бст2кп – сталь обыкновенного качества группы Б, кипящая, с содержанием углерода 0,09– 0,15 %, ВСт5сп – углеродистая сталь обыкновенного качества, спокойная, с содержанием углерода 0,28– 0,37 %. Стали 35.А20 и АС40 относятся к углеродистым конструкционным качественным, повышенной и высокой обрабатываемости сталям. Сталь 35 относится к качественной конструкционной стали, А20 и АС40 – к конструкционным сталям повышенной и высокой обрабатываемости. В марке стали двухзначное число обозначает содержание углерода в сотых долях процента. Буква А обозначает повышенную или высокую обрабатываемость стали. Сталь АС40 – это углеродистая свинцо-восодержащая сталь. Определение сорта и химического состава стали может производиться по цвету краски закрашенного торца металла, химическим анализом стали или с помощью искровой пробы. В слесарном деле чаще всего сорт стали определяется на основании искровой пробы на наждачном точиле. Так, мягкая малоуглеродистая сталь с содержанием углерода 0,1–0,16 % дает светло-желтые ровные световые линии и продолговатые каплеобразные искры. Углеродистая сталь с содержанием углерода 0,5 % дает светло-желтые разветвляющиеся световые полосы с редким образованием маленьких звездочек. Углеродистая инструментальная сталь с содержанием углерода 0,9 % дает светло-желтые искры с многочисленными лучистыми звездочками, а с содержанием углерода 1,2 % – яркие пучки искр, состоящие из светло-желтых, часто разветвляющихся звездочек. При искровой пробе марганцовистой стали с содержанием марганца 10–14 % получаются бело-желтые яркие пучки лучей, сильно разветвляющихся перпендикулярно к линиям искр. Быстрорежущая сталь, имеющая 10 % вольфрама, 4 % хрома и 0,7 % углерода, дает темно-красные прерывистые линии искр, разветвляющиеся на более светлые звездочки. Вольфрамовая сталь (1,3 % вольфрама) – отдельные темно-красные линии искр, разделяющиеся на более светлые желтые звездочки. Кремнистая сталь – длинные светло-желтые световые линии, оканчивающиеся каплями разделяющихся на пучки светло-желтых искр. Хромистая сталь – темно-желтый световой пучок, разделяющийся красноватыми линиями искр с шарообразными концами. Хромоникелевые конструкционные стали с содержанием 3–4 % никеля и 1 % хрома – желтые продолговатые каплеобразные линии искр с разделяющимися пучками шипов. Продукция металлургического производства бывает, как правило, представлена в следующих видах (рис. 36): прутки круглого шестигранного и квадратного сечений, равносторонние и неравносторонние угольники, швеллеры, двутавры, полосовое железо, стальная лента, листовой тонкий и толстый металл, а также ряд специальных профилей (рельсы и др.). Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов Термическая обработка (ТО) – это технологические операции, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. Основные виды ТО – отжиг, закалка, отпуск и старение. Отжиг – это ТО, в результате которой металл приобретает структуру, близкую к равновесной, при этом прочность снижается, снижаются остаточные напряжения, возрастает пластичность. Температура отжига зависит от состава сплава и поставленной цели. Отжиг заключается в нагреве до определённой температуры, выдержке при этой температуре от нескольких часов до нескольких десятков часов и охлаждении со скоростью от 30 до 200 оС/час. Различают отжиг рекристаллизационный и диффузионный. При рекристаллизационном отжиге деформированный металл нагревают на 100 – 200оС выше температуры рекристаллизации Трекр. А Трекр, как установил А. А. Бочвар, составляет 0,4Тпл. При этих температурах вытянутые в результате деформирования зёрна становятся равноосными, понижается твёрдость и прочность, повышается пластичность. Скорость охлаждения не имеет значения, обычно охлаждают на спокойном воздухе. Рекристаллизационный отжиг применяют для металлов (А1, Cu, Ni) и сплавов (ферритные и аустенитные стали, однофазные латуни и бронзы со структурой твёрдых растворов), не имеющих фазовых превращений в твёрдом состоянии. Диффузионный отжиг проводят для сплавов со структурой твёрдого раствора с целью снижения ликвации, т.е. неравномерного состава по объёму. Для сталей температура диффузионного отжига составляет 1100 – 1200 оС и время термообработки от 20 до 50 часов. Ликвация особенно неприятна в алюминиевых сплавах и для них температура диффузионного отжига составляет 420 – 520 оС, а время термообработки – 20 – 30 часов. Закалка – это ТО, в результате которой образуется неравновесная структура. Это возможно в том случае, если в сплаве могут иметь место превращения в твёрдом состоянии. К таким превращениям относятся переменная растворимость, полиморфные превращения твёрдых растворов, распад высокотемпературного твёрдого раствора по эвтектоидной реакции и т.д. Для этого сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твёрдом состоянии, после чего быстро охлаждают. При закалке можно повысить прочность, удельное электрическое сопротивление, коэрцитивную силу, коррозионную стойкость. В качестве примера можно рассмотреть систему, обладающую ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состянии. (Рис. 4.3 ) Рис. 4.3. Диаграмма состояния сплава для случая ограниченной растворимости компонентов в твёрдом состоянии. На этой диаграмме верхняя линия КСD – линия ликвидуса, показывающая температуры плавления сплавов; линия КЕСF – линия солидуса, показывающая температуры затвердевания сплавов. Ниже этой линии все сплавы из компонентов А и В находятся в твёрдом состоянии. Линия SE (на диаграмме буква Е не пропечаталось и выглядит как L) показывает изменение растворимости при понижении температуры компонента В в компоненте А в твёрдос состоянии. В данном случае растворимость с понижением температуры уменьшается. Рассмотрим, что происходит со сплавом состава I - I. До температуры 1 сплав жикий. При температуре точки 1 начинается кристаллизация и до температуры точки 2 система двухфана и состоит из твёрдого раствора α (В в А) и жидкого сплава. В области температур, ограниченной точками 2 и 3 состав твёрдого раствора не изменяется. В области температур между точками 3 и 4 растворимость В в А уменьшается и часть компонента В выходит из раствора и образует собственные кристаллы В, называемые вторичными. Таким образом, после полного охлаждения сплав имеет структуру, состоящую из твёрдого раствора α и вторичных кристаллов компонента В. Если сплав нагреть несколько выше точки 3 и выдержать, то часть (или все) вторичные кристаллы компонента В превратятся в твёрдый раствор α. Теперь при быстром охлаждении структура твёрдого раствора заморозится и сплав будет иметь структуру пересыщенного твёрдого раствора, что слабо влияет на повышение физико-механических свойств. Если нагреть несколько ниже температуры 3, увеличится подвижность атомов и начнётся распад твёрдого раствора, Такой процесс называется искусственным старением. В сплавах низкоплавких металлов (А1) старение происходит без нагрева, при обычных температурах – естественное старение. При старении уменьшается концентрация пересыщения, выделяется новая фаза. Характеристики этой фазы - кристаллическую структуру, размер зёрен, межфазную границу, можно регулировать температурой и временем термообработки. Закалку с эвтектоидным превращением рассмотрим на примере стали. В левой части диаграммы Fe - Fe3C (рис. 4.2.) находится область феррита и аустенита. Между ферритом и аустенитом существует область, где одновременно существует феррит и аустенит, а при более низкой температуре – феррит и цементит. В эвтектической точке, где одновременно кристаллизуется феррит и аустенит, выделяется перлит, содержащей 0,8% С. Если перлит нагреть выше эвтектической точки, начнётся превращение перлита в аустенит. Здесь может протекать два параллельных процесса: а) превращение α-Fe в γ-Fe; б) растворение цементита Fe3C в γ-Fe с образованием аустенита. Если нагрев производить быстро, например, токами высокой частоты (ТВЧ), образуется много центров кристаллизации аустенита и получатся очень мелкие зёрна аустенита. Вообще, в зависимости от температуры нагрева можно получить зёрна аустенита различного размера. При быстром охлаждении аустенитной стали до определённой температуры и выдержке при этой температуре, произойдёт распад аустенита а) по диффузионному механизму – перлитное превращение или б) по бездиффузионному механизму – мартенситное превращение. Мартенсит – это пересыщенный твёрдый раствор внедрения С в α-Fe. По какому механизму пойдёт процесс зависит от скорости охлаждения и времени выдержки τ. Рассмотрим эти превращения на диаграмме t oC – log τ. (рис. 4.4) Рис. 4.4. Диаграмма изотермического распада аустенита в эвтектоидной стали. На диаграмме изображены две С-образные кривые. Та, которая ближе к оси ординат, отвечает началу распаду аустенита и превращению его в другие кристаллические структуры. Вторая кривая отвечает завершению распада. Наименьшая устойчивость аустенита наблюдается при 550 оС – около 1 сек. Превращение в области 1 – перлитное, в области 3 – мартенситное, а в области 2 – промежуточное. В области перлитного превращения аустенит распадается на пластинчатые структуры перлитного типа (Ф + Ц). Эти структуры состоят из пластин феррита, между которыми расположены пластины цементита. Степень их дисперсности характеризуют усреднённой суммой толщин соседних пластин феррита и цементита. С увеличением дисперсности структур перлитного типа возрастают прочность и твёрдость. В зависимости от дисперсности различают собственно перлит, сорбит и троостит. В перлите межпластинчатое рассотяние составляет 0,5 – 1,0 мкм, в сорбите – 0,2 – 0,4 мкм, а в троостите – около 0,1 мкм. При очень быстром охлаждении (вода или солёная вода), когда подавляются возможные диффузионные процессы, приводящие к образованию перлита, происходит переход С + γ-Fe в С + α- Fe, а в α-Fe растворимость С меньше. Избыточный С остаётся в искажённой решётке α-Fe, образуя пересыщенный раствор, который называют мартенситом. Существует минимальная скорость охлаждения Vкр для получения мартенсита, причём для разных марок стали эта скорость различна. Свойства мартенситной стали зависят от концентрации С – с увеличением концентрации возрастают твёрдость, хрупкость, объём. Отпуск и старение – это ТО, в результате которой в предварительно закалённых сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной. Свойства после отпуска и старения выше, чем при отжиге. Обычно после закалки получают пересыщенный твёрдый раствор, а при старении и отпуске происходит распад пересыщенного твёрдого раствора. Эти две технологические операции отличаются друг от друга тем, что при отпуске происходят полиморфные превращения, а старение протекает без полиморфных превращений. Отпуск закалённых сталей. В результате закалки получают обычно структуру мартенсита с остатками аустенита. В результате отпуска происходит распад мартенсита и выделение С в виде цементита Fe3C и распад остаточного аустенита. После отпуска в обычных сталях возрастает пластичность, ударная вязкость, уменьшается прочность, причём в легированных сталях прочность может возрастать. Термические обработки предназначены для изменения структуры и, соответственно, свойства всего объёма металла. 4.5. Химико-термические обработки, напротив, затрагивают поверхностные слои металла, при этом изменение свойств достигается как за счёт изменения химического состава поверхностных слоёв, так и воздействия на структуру этого слоя путём термической обработки. Для обеспечения проникновения компонентов в изделие насыщение обычно проводят при повышенных температурах – ведь эти процессы гетерофазные, в них одной из важнейших стадий является диффузия. А скорость диффузии увеличивается при повышении температуры. В результате могут образовываться как химические соединения, так и твёрдые растворы. Рассмотрим наиболее распространённые виды таких обработок. Цементация стали заключается в насыщении поверхности изделия углеродом. Её целью является получение твёрдой и износостойкой поверхности за счёт образования цементита – карбида железа Fe3C при сохранении вязкости внутренних областей изделия. 3Fe + C = Fe3C Цементации обычно подвергают низкоуглеродистые стали, содержащие 0,1 – 0,18 % С. После обработки поверхностные слои содержат 0,8 – 1,0 % С. Иногда для повышения сопротивления контактной усталости концентрацию углерода в поверхностных слоях повышают до 1,1 – 1,2 %. Более высокое содержание С нецелесообразно, так как при этом повышается хрупкость цементуемого слоя. При цементации легированных сплавов содержание углерода в поверхностных слоях может достигать 1,8 – 2,0 % - это зависит от карбидообразующих свойств элементов легатуры. Цементацию проводят либо непосредственно взаимодействием изделия с активированным углем, коксом и т.п., либо в среде газов, содержащих углерод – чаще всего в среде метана СН4. Известны также методы жидкостной цементации с использованием солевых расплавов и наложением процессов электролиза. Углеродсодержащий газ барботирует через солевой расплав. В этом случае скорость цементации в 3 – 5 раз выше, чем в твёрдых карбюризаторах (аппаратах для насыщения углеродом с использование активированного угля и т.п.). После химико-термической обработки проводят термическую обработку изделия для исправления структуры как сердцевины, так и поверхностных слоёв. Ведь температура химико-термической обработки может достигать 950 – 1000 оС. Азотирование сталей – это процесс насыщения поверхностно слоя азотом при нагревании изделия в атмосфере аммиака. Азотирование резко повышает устойчивость твёрдости поверхностных слоёв к температурным воздействиям, повышаются износостойкость и коррозионостойкость. Твёрдость азотированного слоя выше, чем цементованного, причём сохраняется она до более высоких температур – до 600 – 650 оС против 200 – 225 оС. При азотировании образуются твёрдые растворы азота в железе, нитриды железа Fe4N, Fe2N и Fe3N, твёрдые растворы азота в нитридах железа и ряд других твёрдых растворов. Процесс проводят в области температур 500 – 600 оС. Ускорение процесса достигается при азотировании в «тлеющем разряде». В этом случае обработку деталей осуществляют в разреженной атмосфере, содержащей азот, а деталь подключают к отрицательным клеммам источника питания. Ещё более быстро азотирование протекает в жидких средах – в расплавленных цианистых солях (тенифер-процесс). Недостаток этого процесса – высокая токсичность реагентов. Цианирование и нитроцементация, в отличие от тенифер-процесса, приводит к насыщению поверхности не только азотом, но и углеродом. При цианировании используется тот же цианистый натрий NaCN, но при более высокой температуре (820 – 860 оС). Содержание азота в поверхностном слое 0,8 – 1,2 % и углерода 0,6 – 0,7%. Нитроцементацию проводят в смеси науглероживающего газа и аммиака. Присутствие аммиака ускоряет диффузию углерода. Газовой нитроцементации подвергают детали сложной формы, склонные к кораблению – в этом случае меньше коробление и деформация по сравнению с газовой цементацией. Нитроцементация имеет преимущество и перед цианированием, т.к. не требуется применение ядовитых солей, а также возможно более тонкое регулирование содержания азота и углерода в слое. Химико-термической обработке подвергают не только стали. Подобную модификацию поверхности проводят на изделиях из титана, молибдена, ниобия, тантала, циркония, вольфрама, кобальта, никеля, меди, а также сплавов на их основе. Для титана и его сплавов наиболее перспективно азотирование, приводящее к повышению поверхностной твёрдости и износоустойчивости. После азотирования поверхность приобретает золотистый оттенок благодаря образованию нитрида титана TiN. Ti + ½N2 = TiN Процесс азотирования проводят в атмосфере очищенного азота при 900 – 1050 оС. Толщина слоя TiN зависит от продолжительности обработки. При выдержке от 8 до 50 ч получают слои толщиной от 15 до 100 мкм. Цементация титана с образованием карбида ТiС также увеличивает износостойкость, а микротвёрдость возрастает в 3 раза. Процесс проводят при температурах 850 – 1100 оС, причём нагрев осуществляли быстро токами ТВЧ. Диффузионная металлизация – это процесс поверхностного насыщения стали металлами. Насыщение алюминием называется алитированием, хромом – хромированием, кремнием – силицированием, титаном – титанированием и т.д. Возможна металлизация несколькими металлами или металлами и металлоидами. Диффузионная металлизация позволяет придавать поверхности изделия самые разнообраные свойства – износостойкость и твёрдость, коррозионную стойкость, жаростойкость. Тема 7. Цветные металлы и их сплавы (производство, свойства, состав, марки, применение) Цветные металлы и их сплавы характеризуются высокой сопротивляемостью коррозии, большой пластичностью, вязкостью, хорошей обрабатываемостью, высокой электро– и теплопроводностью. К цветным металлам, наиболее широко применяемым в промышленности, относятся медь, алюминий, хром, олово, цинк, магний, вольфрам, молибден, никель, свинец, титан, серебро, золото, платина и др. К сплавам цветных металлов относятся: медные сплавы (латунь, бронза и др.); алюминиевые сплавы (дюралюминий, силумин и др.); магниевые сплавы; титановые сплавы; свинцово-оловянистые сплавы и др. Баббит – это легкоплавкий подшипниковый сплав с содержанием 80–90 % олова, 4–13 % сурьмы, 3– 6 % меди, а также свинца, кальция, никеля, мышьяка, кадмия, теллура, железа и др. Температура плавления 232–350 °C, температура литья 450–550 °C. Баббиты подразделяются на высокооловянистые, обозначаемые буквой В, малооловянистые – БН, БТ и безоловянистые, обозначаемые БК (свинцово-кальцие-натриевые сплавы). Баббиты отличаются высокой износостойкостью, пластичностью, малым коэффициентом трения и хорошей обрабатываемостью. Латунь – это сплав меди (45–80 %) с цинком (от 3 до 50 %), а также с другими элементами: алюминием, оловом, свинцом, железом, никелем и др. Плотность латуни 8,3–8,5 г/см3, температура плавления 890–1000 °C. В зависимости от технологических свойств латуни подразделяются на литейные и обрабатываемые давлением. Они обладают хорошей прочностью, пластичностью, антифрикционными и антикоррозионными свойствами. Высокими механическими, антикоррозионными и литейными свойствами обладает томпак – латунь, содержащая не более 22 % цинка и не менее 61 % меди. Латунь обозначается буквой Л. В маркировке латуни буквы обозначают химические элементы, входящие в сплав, первые две цифры, стоящие за буквами, указывают содержание меди, а цифры, отделенные дефисом, – среднее содержание легирующих элементов в процентах в порядке, соответствующем буквам. Так, латунь марки ЛКС80-33 содержит 79–81 % меди, 10,5–16,5 % цинка, 2,5–4,5 % кремния, 2–4 % свинца. Бронза – это сплав меди с одним или несколькими химическими элементами: оловом, свинцом, цинком, никелем, фосфором, кремнием, марганцем, алюминием, железом. Плотность бронзы 7,5– 9,3 г/см3, температура плавления 940–1093 °C. Используется в качестве материала для деталей машин, арматуры, подвергающихся трению, атмосферному воздействию, а также действию слабых кислот. Бронзы характеризуются высокими механическими, литейными, антифрикционными и антикоррозионными свойствами. В зависимости от состава различают бронзы: оловянистые, применяемые для вкладышей подшипников и арматуры; алюминиевые (6–11,5 % алюминия), применяемые для фасонного литья и лент; кремнистые (1–3,5 % кремния); марганцовистые (4,5–5,5 % марганца); свинцовые (30–60 % свинца), применяемые для подшипников скольжения; бериллиевые (2 % бериллия), применяемые для пружин и износостойких деталей; медно-титановые (5 % титана). Бронзы хорошо обрабатываются и отливаются. Бронзы обозначаются буквами Бр и другими буквами (аналогично латуни), указывающими элементы, входящие в их состав, и цифрами, показывающими соответственно среднее содержание этих элементов в процентах. Так, бронза марки БрАЖМц 10-3-1,5 содержит 9,5–10,5 % алюминия, 2,5–3,5 % железа, 1–2 % марганца, остальное – медь. В группу благородных металлов входят золото, платина, серебро. При нормальной комнатной температуре в жидком состоянии находится ртуть. Плотность ртути – 13,5 г/см3, температура кипения – 357 °C, затвердевания – 38,9 °C. Олово получают из оловянной руды, называемой касситеритом. Олово имеет серебристую окраску. Плотность – 7,3 г/см3, температура плавления – 232 °C. Это мягкий, пластичный и легко поддающийся литью металл. Плохо сохраняется при низкой температуре, а оставаясь при такой температуре длительное время, переходит в свою разновидность – серое олово, которое при непосредственном соприкосновении с белым оловом вызывает его разложение. Характерным для чистого олова является хруст при изгибе и разломе. Олово находит широкое применение при лужении и пайке, а также как компонент технических сплавов для подшипников, припоев и других целей. Медь получают из медных руд, таких как халькоперит (медный колчедан), борнит, халькозин (медный блеск), ковеллин, малахит и азурит. Цвет меди – красноватый. Плотность – 8,9 г/см3, температура плавления –1083 °C. Медь хорошо поддается холодной пластической обработке, штамповке, горячей ковке. Во время холодной пластической обработки несколько повышает свою твердость. Отличается хорошей тепло– и электропроводностью. Под влиянием влаги быстро окисляется, покрываясь зеленым налетом. Широко используется в электротехнической промышленности, для изготовления художественных изделий, для металлопокрытий. Медь входит также в состав многих сплавов. Медь можно паять, сваривать с предварительным подогревом, под давлением. Вольфрам – это металл, имеющий самую высокую температуру плавления (3390 °C). Плотность вольфрама равна плотности золота и составляет 19,3 г/см3. Тема 8. Твёрдые сплавы, минералокерамические и абразивные материалы Твердыми сплавами называются материалы, характеризующиеся высокими физико-механическими свойствами: твердостью, износостойкостью и теплостойкостью. Они способны сохранять свою твердость до температуры 900–1000 °C. По способу производства твердые сплавы подразделяются на спекаемые, литые и порошкообразные. Наибольшее распространение получили спекаемые твердые металлокерамические сплавы из карбидов вольфрама и титана. Для изготовления режущего инструмента широко применяются металлокерамические твердые сплавы, получаемые методами спекания карбидов вольфрама и титана со связующей составляющей – кобальтом или, в некоторых случаях, с танталом. По составу металлокерамические твердые сплавы разделяются на три группы: однокарбидные вольфрамовые ВК, двухкарбидные тита-новольфрамовые ТК, титано-танталовольфрамовые ТТК. К однокарбидным вольфрамовым сплавам относятся 14 марок. Деление этих марок производится в зависимости от содержания карбида вольфрама и кобальта. Так, в сплаве ВК3 содержится 3 % кобальта и 97 % карбида вольфрама, в сплаве ВК8 – 8 % кобальта и 92 % карбида вольфрама и т. д. К титановольфрамовой группе относятся пять сплавов. Они маркируются в зависимости от содержания карбида титана и кобальта. Так, в сплаве марки Т30К4 содержится 30 % карбида титана, 4 % кобальта, остальное – карбид вольфрама. К титанотанталовольфрамовой группе относятся два сплава, маркируемые в зависимости от содержания в них карбидов титана и тантала, а также кобальта. Так, в марке ТТ7К12 содержится 7 % карбидов титана и тантала, 12 % кобальта и 81 % карбида вольфрама. Металлокерамические твердые сплавы изготавливаются прессованием порошков карбидов вольфрама, титана и тантала с порошком кобальта с последующим спеканием спрессованных пластин при высокой температуре. Режущий инструмент изготавливается способами напайки, сварки, пайки, литья или путем механического крепления твердосплавных пластин к державкам инструмента. Литые твердые сплавы представляют собой сплавы, полученные из шихты, в состав которой входят кобальт, хром, вольфрам, кокс (древесный уголь), битое стекло. К литым сплавам относятся стеллиты и стеллитоподобные сплавы – сормайты. Стеллиты В2К и ВЗК, характеризуемые высокой твердостью, антикоррозионной стойкостью и низким коэффициентом трения, применяются для повышения износостойкости деталей путем их наплавки. Сормайт – это наплавочный литой сплав на основе железа (55–67 %), хрома (25–31 %) и никеля (3– 5 %). Характеризуется высокими износостойкостью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью и стойкостью. К порошкообразным твердым сплавам относится сталинит, в состав которого входят порошки феррохрома, ферромарганца, чугунной стружки и кокса. Заменителем является вокар (смесь вольфрама и углерода). Минералокерамический материал – это в основном режущий материал в виде пластин трехгранной, четырехгранной, пятигранной и круглой формы, получаемый путем прессования порошкообразной окиси алюминия Аl2,О3 другими веществами и последующего отжига отформированной заготовки. Наибольшее применение получил минералокерамический материал микролит ЦМ-332, обладающий высокими твердостью (HRC 90–95) теплостойкостью (до 1200 °C) и износостойкостью, высокой химической стойкостью и относительно хорошими прочностными свойствами. Он эффективно используется при получистовой и чистовой обработке стали и чугуна, а также при обработке неметаллических материалов, цветных металлов и их сплавов. Тема 9. Свариваемость металлов и сплавов Свариваемость металлов - их свойство, характеризующее способность образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и условиям эксплуатации изделия. Сущность понятия 1. Физическая свариваемость - свойства конкретных металлов без каких-либо внешних условий образовывать сварное соединение на уровне межатомных связей. 2. Технологическая свариваемость - способность образовывать качественное соединение только при конкретных условиях и технологии сварки. Физической свариваемостью обладают почти все однородные металлы, но величина этой свариваемости для различных металлов неодинакова. Самая большая физическая свариваемость у Н (угл. ст.) ? Разнородные металлы, как правило, физической свариваемостью не обладают, поэтому их очень ограничено можно сваривать плавлением. Свариваемость не является неизменным свойством металлов. Она зависит от: состава металла и его физических свойств; способа и режимов сварки; состава присадочного материала, флюсов, покрытий электродов, защитного газа; сопровождающих условий (предварительный, сопутствующий подогрев, термообработка); формы и размеров изделий; условий эксплуатации. Основные показатели свариваемости металлов и сплавов ! 1 Чувствительность к тепловому воздействию сварки. ! 2 Сопротивляемость образованию горячих и холодных трещин. ! 3 Сопротивляемость образованию закалочных структур (?) 4. Окисляемость металлов в условиях сварки. 5. Чувствительность к образованию газовых пор. 6. Соответствие свойств сварочных соединений заданным эксплуатационным требованиям. При оценке свариваемости рекомендуется следующий подход: рассматривается поведение металла при сварке, в том числе и с окружающей средой, - делается выбор вида способа сварки и средств защиты сварочных ванн; оценивается реакция металла на сварочный нагрев - для выбора источника нагрева и режимов сварки. Классификация стали по свариваемости Наибольшее влияние на свариваемость оказывает С. По мере его увеличения свариваемость ухудшается, так как больше проявляются: склонность к образованию горячих и холодных трещин; чувствительность к закалке; сложно обеспечить равное тепло в металле, и, как следствие, равнопрочность сваренного соединения. В зависимости от содержания С, стали по свариваемости делят на 4 группы: 1 Хорошо свариваемые (до 0,25% С) - низкоуглеродистые - всё, низколегированные - те, в которых легирующие элементы не влияют на свариваемость [влияют на свариваемость следующие легирующие элементы - Мп, Сг (хром), Мо (молибден), V (ванадий), Ni, Си] - свариваются без образования закалочных структур и трещин, относительно лояльны к сварочному нагреву, не требуют специальных сварочных материалов и технологий сварки, не имеют ограничений по температуре окружающей среды, толщине свариваемых деталей, пространственному положению сварки. Параметры режима сварки могут регулироваться в широком диапазоне. Сварку можно проводить всеми видами и способами. 2. Удовлетворительно свариваемые (0,25-0,35%С) - среднеуглеродистые, низко легированные, имеющие легирующие элементы (0,25%), отдельные сределегированные, в которых нет легирующих элементов. Мало склонны к образованию трещин и закалочных структур при правильном выборе основных режимов сварки. Незначительно реагируют на сварочных нагрев, но в условиях пониженных температур окружающей среды могут перегреваться, поэтому в отдельных случаях требуют предварительного подогрева. 3. Ограничено свариваемые (0,35-0,45%С) - не склонны к образованию трещин. Возможность регулирования свариваемости изменением режимов сварки резко ограничена. Требуется предварительный и сопутствующий подогрев. Среднеуглеродистые и среднелегированные. Рекомендуется сварочные материалы подбирать с пониженным содержанием углерода, с большей пластичностью металла и с меньшим содержанием вредных примесей. 4. Плохо свариваемые (> 0,45%С) - очень склонны к закалке и образованию трещин. Требуют при сварке предварительный и сопутствующий подогрев и специальные технологические приемы. Как правило, сварка выполняется в один проход, на большой Y скорости, без поперечных колебаний с минимально возможной короткой длиной дуги. После сварки требуется термообработка. Высокоуглеродистые (до 0,8% С), высоколегированные (в зависимости от степени легирования и легирующих элементов). Для определения отношения метала к группе по свариваемости есть его количественная оценка эквивалентное содержание (Сэ): Сэ = С + Мп/6 + (Cr +Мо + V)/5 + (Ni + Cu)/15 Этой формулой лучше пользоваться для металлов толщиной менее 15мм. Для более толстого металла учитывают его толщину: Сэ = С = Мп/6 + (Сг +Мо + V)/5 + (Ni + Cu)/6 + 0,025'Sm Рассчитанные no этим формулам Сэ для конкретной марки стали сравниваются с ее критическим значением: а) Для углеродистой стали <0,15 температура определяется по следующей формуле: Тп - 350 • V Сэ' 0,25 Сэ = С + Mn/20 + Ni/15 + (Cr +Мо + V)/10 + 0,025'Sm Тема 10. Пути повышения эффективности использования конструкционных материалов Снижение энергетических затрат при обработке заготовок резанием является актуальной проблемой современного машиностроения. Создание нового и повышение энергоэффективности действующего металлорежущего оборудования должно основываться на методах сокращения потерь энергии по цепи:электрическая сеть преобразователь электрической энергии в механическую трансмиссия зона резания. Учитывая различную природу явлений, протекающих в звеньях приведённой цепи, целесообразно решать задачу повышения энергоэффективности в три последовательные стадии: - внедрение экономичных методов преобразования электрической энергии в механическую; - внедрение экономичных методов транспортирования механической энергии в зону резания; - внедрение экономичных условий и параметров реализации процесса резания. Для теории резания представляет интерес третья часть. Именно работа резания определяет, в конечном счёте, количество энергии, потребляемой двигателями станка из электрической сети, а также нагрузочные потери в трансмиссии. Поэтому решение поставленной задачи следует начинать с конечного звена – с установления оптимальных условий реализации процесса резания [2]. Величина энергозатрат при резании определяется, прежде всего, видом и физико-механическими свойствами обрабатываемого материала. В большинстве случаев обрабатываемый материал задан чертежом детали, вследствие чего является для системы резания неуправляемым фактором. Кроме свойств материала на величину работы резания влияют: состояние поверхностного слоя заготовки, площадь срезаемого слоя, вид и свойства инструментального материала, геометрические параметры режущей части инструмента, элементы режима резания, наличие и характеристики СОТС, другие условия реализации процесса резания, которые все вместе образуют совокупность управляемых параметров. Как известно, значения управляемых параметров любой системы, в том числе – системы резания, следует определять на основе методик оптимизации. Общепризнанна перспективность использования энергетических критериев оптимизации условий обработки, поскольку они характеризуют физическую природу явлений, происходящих в зоне контактирования инструментального и обрабатываемого материалов, имеют устойчивые функциональные связи с управляемыми параметрами системы резания. В качестве энергетического показателя встречается удельная энергоёмкость (удельные энергозатраты, удельная работа) процесса резания, определяемая отношением величины работы, совершаемой режущим инструментом за время рабочего хода, к объёму срезаемого слоя. Исследовано влияние входных (неуправляемых и управляемых) параметров системы резания на удельную энергоёмкость, построены алгоритмы оптимизации распространённых методов механической обработки. Наряду с достоинствами критерия минимальной удельной энергоёмкости процесса резания следует привести ряд недостатков, обнаруженных при применении вышеупомянутых методик оптимизации. Во-первых, удельная энергоёмкость является размерным показателем и не позволяет определить, какая часть энергии расходуется непосредственно на деформацию и (или) разрушение единицы объёма срезаемого слоя, либо образование единицы площади новых поверхностей детали (полезная составляющая), а какая часть энергии затрачивается на механические и физико-химические явления, неизбежно сопровождающие стружкообразование. Во-вторых, используя показатель удельной энергоёмкости, затруднительно сопоставлять уровень энергии, развиваемой в технологической системе, с предельным энергетическим состоянием обрабатываемого материала, определяемым его свойствами. В-третьих, удельная энергоёмкость процесса резания пропорциональна мощности резания, при этом сила и мощность резания полагаются постоянными в течение времени рабочего хода, что справедливо только для стационарного резания и встречается редко.
