Металловедение и сертификация продукции

Металловедение и сертификация продукции

30

Шпаргалки по металловедению и сертификации продукции

1. Металловедение - это наука изучающая зависимость между составом, строением и свойствами металлов, стали и сплавов и закономерностью их изменения под действием тепловых, физ-х, механических и др. воздействий.

Типы межатомной связи. Межатомная связь - явл-ся основой кристалл-го строения элементов и зависит от сил взаимодействия атомов в рез-те взаимодействия их элементов.

Различают 3 типа межатомной связи: ионная, ковалентная, металлическая.

Ионная - возникает в комплексе атомов (разнородных), когда какой либо из них отдает с внешней оболочки, а др. принимает на свою внешнюю оболочку 1 или несколько электронов, при этом образуются "+" и "-" заряженные ионы.

Ковалентная связь - образование молекул F2 CL2 H2 нельзя объяснить ионным типом связи. В данном случае имеет место ковалентная связь при кот. некоторые электроны принадлежат 2-м или нескольким атомам т.е. происходит обобществление электронов принадлежащих разным атомам.

Металлич. связь - металлам присущ особый тип связи - металлическая. это возн-т тогда (в комплексе атомов), когда при их сближении внешн. Эл-ты теряют связь с отд-ми атомами стан-ся общими, легко передвиг-ся между положительно заряженными ионами. Металл сост-т из правильно расположенных в пространстве положительных ионов и перемещ-ся среди них обобществл-х электронов.

Кристаллическое строение металлов. Твердые вещ-ва в зависимости от расположения атомов в пространстве подразделяются на аморфные и кристаллические. В аморфных (смола, стекло) атомы в пространстве располагаются беспорядочно, хаотично. В крист-х вещ-х атомы располаг-ся закономерно в строго повтор-ся порядке, образуя так назыв. кристаллич. решетку.

Все металлы и сплавы при комнатн. темп. и атм давлении явл-ся крист. телами (кроме ртути, кот. переходит в твердое крист. сост. при t0 300С) Крист. решетку можно представить себе, если мысленно переместить центры прямыми линиями.

Различ-т у металлов разное расположение атомов в крист-й решетке. Для большинства пром-х металлов хар-ны след. Типы кристаллических решеток:

1) объемно - центрированная кубическая (ОЦК).2) границентриров. кубическая (ГЦК).3) Гексогокальная плотно упакованная (ГПУ).

Элементы кристаллографии. В крист-х решетках имеются плоскости (кристаллографич. плоск-ти) на кот-х атомы расположены по разному Это означает, что и свойства в разных кристаллограф-х плоск-х и напр-х будут неодинаковыми. Завис-ть физ-х и меж-х свойствах от направления в кристаллах наз-ся анизотропией. Для описания положения атомов в плоск-х и непр-х исп-т следующие эл-ты кристаллографии:

1) параметр. крист. решетки.

2) координационное число - число атомов, приходящихся на элементарную ячейку.

3) атомная плоскость - плоскость атомов.

4) кристаллографические индексы (индексы плоскостей и индексы направлений).

Кристаллографические индексы. В кристалле можно показать большое количество плоск-й, прох-х через узлы крист. решетки, это так назыв. кристаллографич. плоск-ти. Расположение атомов на этих плоскостях располож. их будут опред-ть мех-е, физ-е и др. свойства металлов. Для опред-я положения этих плоск-й в пространстве польз-ся так назыв. кристаллограф. индексами. Они представляют собой 3 целых рацион-х числа, величина кот-х обратна осевым отрезкам отсекаемым данной плоск. на осях координат, при этом единицы длины вдоль этих осей выбир-т равными длинам ребер элемент ячейки.

Кроме индексов плоскостей имеют место кристаллографич. инд. направлений. Индексы направлений совпадают с индексами перпендикулярных им плоскостей, при этом инд. направл-й пишутся в квадратных скобках.

Полиморфные превращения. Зависимость физ. и мех. св-тв в кристалле от направления наз. анизотропией.

Пол влиянием темпер. и давления в некоторых металлах (жел, титан, кобальт) в твердом состоянии происходит перестройка из одного типа крист. решетки в другой. Способность металла существ-ть в разных кристаллич. формах при разных температурах наз. полиморфизмом.

Магнитные превращения. Некоторые металлы (жел, кобальт, никель) отличаются способностью хорошо намагничиваться. Это свойство называется ферромагнитным. При нагреве ферромагнитн. св-ва теряются. Кюри показал, что потере ферромагн. св-тв соотв-ет определ. температура, назв. т. Кюри. Для никеля-400гр. цельс, железа-770, коб. - 1200.

Магнитные отличаются от полиморфн. превращений, а именно - магнитные сопровожд-ся изменением крист. решетки, происход. в интервале температут.

2. Реальное строен. кристаллич-х тел. Дефекты крист. реш.

В реальных кристаллах строгий порядок атомова нарушается. Исслед-е реал. кристаллов обнаружило много видов нарушения крист. строения. Эти нарушения называются дефектами или несовершенствованиями крист. решетки. Налич. деф-в в решетке определяют реальные свойства металлов и сплавов.

Дефекты крист. решетки делятся на 3гр.:

1) точечные,

2) линейные,

3) поверхностные.

Они имеют атомные размеры. Кроме них имеют место так назыв. объемные дефекты (поры, трещины, царапины)

Дефекты в крист. решетке могут возникать по разным причинам - с повыш. t, при деформации и т.д.

1) точечные - вакансии, дислокацированные атомы, примесные атомы внедрения и замещения. С повыш. t усиливаются колебания атомов, и отдельные атомы с повышенной энергией могут уйти из узла решетки (вакансии) или перемест. на др. место (дислоцир. атомы). И вакансии и дислоц. атомы перемещаются по кристаллу. Свободное место в решетке может занять атом примеси, если его размеры соизмеримы с основным атомом, образуется примесный атом замещения. Если размеры малы - примесный атом внедрения.

2) линейные -к лин. деф. относятся дислокации, котор. могут возникнуть при деформации металла. При деформац. (сдвиге), когда одна часть смещ. относит.д.р., может возникнуть как бы лишняя атомная полуплоскость, котор. не имеет продолжения в нижней своей части. Эта лишняя полуплоскость наз. дислокацией.

3. Линейные дислокации бывают положит. и отрицат.

Дислокации легко перемещаются по кристаллу, способствуя тем самым осуществлению пластической деформации. Если бы дислокации в металле отсутствовали, и все атомы в металле были бы жестко связ. др. с др., то такой материал обладал бы высокой прочностью, и его нельзя было бы ни деформировать, ни обрабатывать резанием.

И точечные и линейные дефекты приводят к искажению кристаллич. решетки.

3) поверхностные дефекты - к ним относятся искажения крист. решетки на границах раздела между отдельными зернами. Металлы состоят из очень большого числа отдельных кристаллов (зерен), поэтому их называют поликристаллическими телами (много-). На границах раздела между зернами правильное расположение атомов нарушено, и поэтому на границе зерен крист. решетки всегда искажены.

Все вышеперечисленные дефекты крист-го строения могут вступать во взаимодействие др. с др. и существенно влияют на св-ва металлов.

4. Диаграмма железо-углерод.

Сплавы железа с углеродом (стали и чугуны) явл. важнейшим материалом современной техники. Первое представление о диаграмме железоуглерод было дано Черновым Д. К, который открыл так называемые критические точки в стали и показал их зависимость от содержания углерода (727® С и 911®С).

Железо - металл серебристо-белого цвета, tплавления = 1539®, имеет 2 типа кристаллических решеток:

1) ОЦК ниже 911градусов - б-железо и выше 1390градусов - дельта-железо,

2) решетка ГЦК - от 911 до 1392градусов - гамма-железо.

При 768градусов железо теряет магнитные свойства (точка Кюри); железо пластично и обладает невысокой твердостью.

Углерод встречается в природе в виде алмаза, имеющую сложную кубическую решетку и высокую твердость и прочность. И в виде графита, имеющего слоистую гексагональную решетку. Tплавления алмаза = 3500С, при взаимодействии железа с углеродом образ-ся химическое соединение Fe3C (будем обозначать Ц) - содержит 6,67 % углерода.

В зависимости от того, в какой кристаллической решетке железа растворен углерод различают след фазы:

1) феррит (Ф) - это твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе, имеет решетку ОЦК; максимальная растворимость углерода при 727 градусах составляет 0,02%. Феррит имеет низкую прочность и твердость и хорошую пластичность.

2) аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в гамме-железе, решетка ГЦК существует только при высоких температурах больше 727градусов. Максимальная растворимость углерода в гамма-железе при 1147градусах составляет 2,14%, при 727градусах=0,8%.

3) жидкая фаза (Ж) - существует выше линии ликвидус и представляет собой жидкий раствор углерода в железе. Диаграмма состояния железа-углерод приведена на рис.

В системе железо-углерод имеет место 2 превращения - 1-ое - линия EKF (1147) - эвтектическое превращение, при котором жидкость кристаллизуется с одновременным образованием 2-х фаз - аустенита и цементита. Эвтектика, состоящая из аустенита и цементита наз-ся ледебуритом (Л (А+Ц)), 2-ое - линия PSK (727) - эвтектоидное превращение происходит в твердом состоянии, когда аустенит распадается с образованием 2-х новых фаз - феррита и цементита. Эвтектоид, состоящий из феррита и цементита наз-ся перлитом (П (Ф+Ц).

ES - линия предельной растворимости углерода в аустените.

PQ - линия пред растворимости углерода в феррите.

Стали, имеющие содержание углерода меньше 0,8% наз-ся доэвтектоидными. Стали, содержащие 0,8% углерода наз-ся эвтектоидными. Стали, содержащие больше 0,8%углерода наз-ся заэвтектоидными.

Чугуны с содержанием С 4,3% наз-ся эвтектическими, меньше 4,3 - доэвтектическими, больше 4,3 заэвтектическими.

Т. о при медленном охлаждении в процессе кристаллизации в сплавах системы железа - цементит формируется след структура: в доэвтектических сталях - перлит, феррит, в эвтектических - перлит и цементит, в белых доэвтектических чугунах - ледебурит, превращенный+перлит+цементит вторичный, в белых эвтектич чугунахь - ледебурит превращенный., в белых заэвтектических чугунах - ледебурит превращенный и цементит первичный.

В белых чугунах весь углерод находится в связ-м состоянии в виде цемента Fe3C, излом чугунов светлый, белый, отсюда название.

В серых чугунах излом серый, углерод нах-ся в свободном состоянии в виде графита.

Процесс выделения графита из жидкой или твердой фазы наз-ся графитизацией. Он требует длительного времени и идет при очень медленном охлаждении. На процесс графитизации оказывают влияние след факторы: скорость охлаждения, хим состав чугуна и спец присадки, изменяющие форму и размер графических включений. В чугунах всегда имеются примеси кремния, марганца, фосфора, серы, и др. примеси можно разделить на карбидообразующие, кот связывают углерод, цементит и способствует отбеливанию чугуна (марганец, хром, молибден), графитообразующие примеси способствую выделению графита и образованию серого чугуна (кремний, никель, медь). Сера явл-ся вредной примесью, ухудшает жидкотекучесть чугуна, повышает склонность к образованию трещин, поэтому ее содержание ограничивает в обычных чугунах - до 0,12%, в высокопрочных не более 0,03%. Содержание фосфора 0,2-0,3%, он увеличивает жидкотекучесть и повышает износостойкость

5. Маркировка чугунов

Чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода, лучшими литейными свойствами, но меньшей пластичностью (он хрупкий). Белые чугуны очень хрупкие, плохо обрабатываются резанием и обычно идут на переплав в сталь или подвергаются отжигу (1000С, выдержка 10-15 часов) для получения ковких чугунов. Серые чугуны хорошо используют для фасонных отливок на заводах (станины, корпуса), хорошо обраб-ся резанием, хорошо работают в условиях трения, гасят вибрации и колебания. Св-ва чугунов зависят от формы графитных включений и стр-ры мет-й основы. Различают серые чугуны: с пластинчатой формой графита, шнуровидной, шаровидной, хлопьевидной. Структура чугунов может быть ферритной, феррито-перлитной и перлитной. Чугуны с перлитной основой явл-ся наиболее прочными. Серые чугуны маркируют буквами СЧ и цифрами (СЧ12-28, где 12-предел прочности при растяжении (12кг силы на мм2); 28-предел прочности при изгибе). Для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в ковш с жидким чугуном вводят модификатор (магний, церрий). Модиф. способствует получению при кристаллизации граффито-шаровидной формы. Маркировка высокопрочных чугунов ВЧ42-12, где 42-предел прочности при растяжении, 12-относительное удлинение в%. Ковкий чугун маркируют КЧ30-6.

6. Маркировка и структура сталей

Сталь - основной материал в машиностроении, приборостроении, строит-ве. Обладает ценным комплексом мех-х, физико-химич-х и технологич. св-в. Стали и сплавы принято классифицировать: по хим. составу, по назначению, по кач-ву, по структуре. По хим. составу: углеродистые, легированные.

Углеродистой наз-ся сталь, св-ва которой опред-ся содержанием углерода. В завис-ти от углерода сталь может быть: низкоуглеродистой (до 0,25%С), среднеуглеродистой (0,25-0,6%С), высокоуглеродистой (больше 0,6%). В сталях всегда присутствуют примеси: кремний, силициум, сера, фосфор, маргангец, О2, Н2, и т.д. Кремний и марганец - полезные примеси, сера и фосфор - вредные примеси. Содерж. S?0.07%, Р?0,07%.

Легированной сталью наз-ся такая, в кот. введены спец. эл-ты (легирующие) для получения нужных свойств. В зависимости от содержнания легирующих сталь подразд-т: низколегированную (суммарное содерж. легирующих до 2,5%), среднелегир. (2,5-10%), высоколегир. (больше 10%). По основному легирующему эл-ту стали бывают: хромистые, кремнистые, никелиевые, хромоникелиевые и т.д.

По кач-ву стали подразделяют на сталь обычного кач-ва - содержит до 0,06%S и до 0,07%P; качественная сталь - S=0,035%, Р=0,035%; высококачественные - S,P до 0,025%; особовысококачеств. - S до 0,025, Р до 0,020 и менее. Качество стали опред-ся ее металлургич-м произв-м, содержанием вредных примесей S и Р, содержанием газов.

Стали по назначению классифиц-ся так: инструментальные (примен-ся для обработки резанием, давлением, для измерит-го инстр-та); конструкционные (для изготовления деталей машин, конструкций, в строит-ве и т.д.); стали и сплавы спец-го назначения (нержавеющие, коррозионно-стойкие, износостойкие, жаропрочные, прецизионные и т.д.).

Маркировка легир-х сталей и сплавов, принятая в России состоит из буквы, означ. тот или иной легирующий эл-т и цифры, показ. содерж. этого эл-та, т.е. принята буквенно-цифровая маркировка.

Углеродистые стали обычного кач-ва маркируют Ст и цифрами от 0 до 6, указывающими условный номер марки. Иногда в марке указывают степень раскисленности при выплавке, например Ст15кп.

Качеств. конструкц. сталь отлич-ся от стали обыкновенного кач-ва меньшим содержанием серы и фосфора, но большим - кремния и марганца. Она маркир-ся цифрами, показ-ми содерж. углерода в сотых долях процента. Среди качеств-х конструкц-х сталей выдел.2 особые группы: автоматные и котельные. Авт. отлич-ся повышенной обрабатываемостью резанием и исп-ся для неответств-х деталей массового поизв-ва, изг-х на станках-автоматах (крепежных-шурупы, винты). Маркир-ся стал буквой А и цифрой, показыв. среднее содерж-ие углерода в сотых долях процента: А30. Котельные стали применяют для изг-ия котлов, сосудов, работающих под давление и при t до 450С (камеры сгорания, судовые топки и т.д.). Маркировка - буква К и цифра: 12К - 0,12%С.

Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У и цифрой, показ. содерж. углерода в десятых долях процента. Если сталь качеств., то в конце марки ставится буква А. У12А - 1,2%С. Выпускаются след. марки: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13. Изг-т сверла, метчики, развертки, напильники.

Для маркировки легиров. стали примен-ся буквенно-цифровая сис-ма. Легир. эл-ты, входящие в сталь обозначают первыми буквами их названия: А-азот, Ю-алюминий, У-углерод, Н-никель, Б-необий, Х-хром, Д-медь, Р-бор, В-вольфрам, Ф-ванадий, К-кобальт, С-кремний, М-молибден, Г-марганец, Т-титан. В конструкц-х легир-х сталях первые цифры в марке показ-т содержание углерода в сотых долях %. Если легир-го эл-та содержится до 1,5%, то цифра не ставится, если больше - цифра ставится после буквы.30ХГСА, где 0,3%С, хром-1%, марганец-1%, кремний-1%, А-высококачеств. В инструмент-х легиров. сталях цифра в начале марки указ-т на содерж. С в десятых долях%. Если углерода больше 1%, то цифра в маркировке не ставится.9ХС (0,9%С, 1%хром, 1%кремний), ХВГ (С>1%, хром 1%, вольфрам 1%, марганец 1%).

Некоторые марки стали обознач-ся особо: буква Ш в начале марки означ-т шарикоподшипниковая (исп-ся для изг-ия подшипников качения). Содержание хрома в ней указ-т в десятых долях %. ШХ15 (1,5% хрома, 1%С)

Обозначен. быстрорежущ. сталей, начин. с буквы Р-эти стали обладают уникальн. свойством сохранять высокую твердость при нагреве режущей кромки до 700 ?Си выше. Цифра после буквы Р обозн. содерж. вольфрама -основного легир. элемента в этих сталях.

Современн. быстрореж. стали содерж.: хром, кобальт, титан, и др. элементы.

Напр.: Р6М5-6%вольфрама, 5%молибдена.

Стали и сплавы разработан. и освоенные на заводе Электросталь имеют след. обозначен.: ЭИ, ЭП, ЭК. и далее порядков. номер справочника завода, стандартов и др.

Напр.: ЭИ-835=Х25Н16Г7АР> хром 25%, никель16%, марганец7%, азот, бор

Из легир стали с особыми физ. - химич. свойствами отлич. коррозион. - стойкая сталь.

12Х18Н9Т= угрерод0,12%, хром 18%, никель9%, титан 0,8%.

Сталь имеет повышенную сопротивляем. коррозии в различных агрессивн. средах (нерж. сталь).

Особыми свойствами обладает износостойкая марганцов. сталь 110Г13Л=1,1%углерода,13%марганца, Л-литейная. Примен. для желез. дорожн. крестовин, звеньев гусениц, зубьев ковшей эксковаторов, т.е. там, где имеют место высокие ударные нагрузки и износостойк.

7. Основы термич. обраб. (ТО)

Термич. обработкой назыв. процесс обраб. металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменен. структуры и свойств в необходимом направлен. ТО может быть предварит. и окончательн.

Предварит. ТО - примен. для полуфабрикатов (прокат, слитки) и заготовок для улучшен. структуры, снижен. твердости, улучшен. обрабатываемости.

Окончат. ТО подвергают разнообразные детали и инструмент для получен. необходим. свойств.

Для того, чтобы изменить свойства в результ. термич. обраб. необходимы фазовые и структурные превращен. при нагреве и охлаждении.

Превращен. характериз. определен. критич. температ., кот. показыв. диаграмм. железо-углерод. (р.18)

При нагреве и охлажд. в сталях возм. следующ. превращен.:

1) превр. феррито-цементит. смеси (перлита) в аустенит при нагреве выше 727?С

2) распад аустенита на фер. - цемент. смесь (перлит) при охлажд. ниже 727?С

3) превр. аустенита в мартенсит при быстром охлажд. (закалка стали)

4) превр. мартенсита в фер. - цемент. смесь при отпуске закален. стали

5) в случае высоколегир. хромоникелев. сталей при нагреве имеет место обратное мартенситн. превращен. (т.е. мартенсита в аустенит).

Большое практич. значен. при термич. обраб. имеет скорость охлажден. аустенита.

Если скорость охлажден. небольшая, то образ. фер. - цемент. смесь (перлит), если скорость охлажд. увеличить, то образ. структуры, кот. получили название сорбит и тростит.

Перлит, сорбит и тростит отлич. друг от друга толщиной феррит. и цементитн. пластин. Напр. В тростите - пластинки феррита и цемент. настолько тонкие, что их можно рассмотр. только под электронным микроскоп.

Мартенсит образуется при очень быстром охлажд. аустенита.

Основн. видами терм. обраб. явл.:

1) отжиг,

2) нормализация,

3) закалка,

4) химико-термич. Обраб. (ХТО)

Они отлич. друг от друга темпер. нагрева, длит. выдержки и скоростью охлажден.

Отжиг - процесс термич. обраб. при кот. металл нагревают выше или ниже критич. темпер. (727-911?С). Выдерживают при этих темпер. и медленно охлажд. (как правило вместе с печью). Отжиг проводят для снятия напряжен., получен. равновесн. структуры и для выравнивания по хим. составу.

Имеют место след. разновидн. отжига:

диффузионный (t 1200?С)

полный

неполный

сфероидезирующий

рекристаллизационный

изотермический

светлый.

Некот. разнов. предст. на рис. 19

1. Диффуз. отж. (гомогенизация) примен. для уменьшен. химич. неоднородности в слитках и отливках. Нагрев до 1100-1200?С, выдержка зависит от металла, подвергают в основном легиров. стали. Из-за длит. выдержки при высок. темпер. имеет место укрупнен. зерен, поэтому после диффуз. отжига применяю полный (р. 19, позиция 2) и неполный (позиц.3). Полный примен. для доэвтектоидн. сталей, он приводит к снятию напряжен., повыш. пластичности и улучшает обрабатываемость. Неполн. отжиг примен. к эвтектоидн. и заэвтектоидн. сталям.

2. Сфероидезирующ. отжиг примен. для инструментальн. и шарико - подшипн. стали. Он явл. разновидн. неполн. отжига и служит для получения зернистого перлита, в кот. цементит имеет округлую форму (сфероидальную) для этого примен. маятников. отжиг. (позиц.6).

3. Изотермичю отж., проводят с целью экономии времени при этом образов. структуры происход. при постоянн. температ., а не при медленном охлажден.

4. Рекристаллиз. отжиг (темпер.650-700?С). Подверг. изделия после холодн. пластич. деформац.

5. Высокий отпуск (темп.550-600?С) подверг. стали мартенситного класса средне и высокоуглеродист. с целью умягчения.

6. Светлый отжиг проводят по тем же режимим, что полн. и неполн. отжиг. При этом использ. печи с защитной атмосферой с вакуумом.

Нормализация - металл нагревают выше 727-911?С, выдержив. и охлажд. на воздухе. Нормализ. отлич. от полного отжига только большой скоростью охлажден.

Закалка. Нагрев до t выше критич., выдержка при этих t и послед-ее быстрое охлаждение. Упрочняющая термич. обр. наз. закалкой. При ней из аустенита образ. мартенсит, увеличивается твердость, прочность, уменьшается пластичность. T нагр. под закалку доэфтектоидных сталей на 30-50C выше 911C. Для эвтект. и заэвтект. на 30-50C выше 727C.

Скорость нагрева и время выдержки зав. от хим. состава, массы и конфигурации изделий. Скорость охлаждения важн. параметр при закалке, т.к именно от нее зависит образование окончательной структуры и возникновений внутренних напряжений. В качестве охлаждения среды при закалке используют воду, водные растворы солей, масел, и т.д. Они имеют разную охлаждающую способность: вода охлаждает быстрей чем масло в 6 раз, в интервале температур 550-650C. Вода применяется для обычных углеродистых сталей, масло - для легированных.

В настоящее время разрабатывается ряд водных растворов полимеров, занимающих среднее положение между водой и маслом. Закалку осуществляют различными способами:

1. Закалка в одном охладителе;

2. Закалка в двух средах (применяется для деталей сложной формы, нагретую деталь сначала охлаждают в воде затем в масле);

Страницы: 1, 2