Лекція 1.2 Металічні сплави та їх будова. Поняття про діаграми бінарних сплавів

Мета: Ознайомити студентів з будовою сплавів, способами їх одержання, перевагами над чистими металами. Дати поняття діаграм стану сплавів і методів їх побудови, основних типів діаграм стану бінарних сплавів, взаємозв’язку відповідних діаграм та властивостей цих сплавів.

1 Поняття про сплави, умови їх створення та способи одержання.

2 Переваги сплавів, як конструкційних матеріалів, перед чистими металами.

3 Будова сплавів: механічні суміші та їх характеристики.

4 Будова сплавів: тверді розчини і хімічні сполуки та їх характеристики.

5 Поняття про діаграми стану, методи їх побудови та, одержувані з їх допомогою, відомості про будову і властивості сплавів.

6 Характеристика діаграми стану сплавів, компоненти яких у твердому стані утворюють механічні суміші.

7 Характеристика діаграми стану сплавів, компоненти яких у твердому стані обмежено та необмежено розчинюються один в одному.

8 Характеристика діаграми стану сплавів, компоненти яких утворюють стійкі хімічні сполуки.

9 Характеристика діаграм склад – властивість.

Рекомендована література

[1. с. 88 –139; 3. с. 49 – 70; 4. с. 20 – 26; 5. с. 62 – 63, 69 – 90; 6. с. 67 – 75; 7. с. 6 – 8 ]

Поняття про сплави, умови їх створення та способи одержання. Металічні сплави представляють собою поєднання двох або кількох компонентів (металів і неметалів), у яких зберігаються металеві властивості.

Більшість сплавів одержують в рідкому стані шляхом сплавляння, проте можуть бути одержані шляхом спікання, електролізу, конденсації.

Переваги сплавів, як конструкційних матеріалів, перед чистими металами. Чисті метали у більшості випадків не володіють необхідним комплексом механічних та технологічних властивостей і тому рідко використовуються для виготовлення виробів. В більшості випадків в техніці застосовують сплави.

Використання сплавів обумовлене ще й тим, що крім наявності у них специфічних властивостей або їх поєднання, властивості сплавів можна змінювати при допомозі пластичної деформації, термічної або термомеханічної обробки значно сильніше ніж металів.

Будова сплавів: механічні суміші, тверді розчини і хімічні сполуки та їх характеристики. У твердому стані в сплавах можуть утворюватись тверді розчини, хімічні сполуки та механічні суміші.

Твердим розчином двох (або більше) компонентів називають однорідне тверде тіло, що має певний тип кристалічної решітки (ОЦК, ГЦК, ГПУ та ін.). Тверді розчини представляють собою однофазні сплави змінного хімічного складу, в яких зберігається кристалічна решітка одного з компонентів. Речовина, кристалічна решітка якої зберігається у твердому розчині, називається розчинником. Розрізняють тверді розчини заміщення та тверді розчини впровадження.

Тверді розчини заміщення. В цьому випадку атоми розчиненого компонента займають частину вузлів кристалічної ґратки розчинника – заміщують його атоми (слайд 1.2-1). Такі розчини утворюються при умові різниці атомних радіусів компонентів не більше як на 8...15 % і тому є обмеженими. Цей вид твердих розчинів може мати постійну і змінну взаємну розчинність компонентів при зміні температури.

Тверді розчини впровадження утворюються між металами і неметалами (вуглець, азот, водень), які характеризуються малими атомними радіусами порівняними за розмірами з порами у кристалічній решітці металів. Як правило, утворюються тверді розчини впровадження на базі перехідних металів (Fe, Co, Mn та ін.). Атоми розчиненого компонента “розсовують” атоми розчинника – параметри його кристалічної ґратки збільшуються (слайд 1.2-2).

Розчинність у твердому стані може бути обмеженою і необмеженою. При утворенні твердих розчинів властивості сплавів можуть змінюватись плавно в залежності від складу елементів і відрізняються від властивостей чистих металів, з яких вони утворені.

Хімічні сполуки – це поєднання компонентів у їх строгому масовому співвідношенні, що виражаються відповідною формулою A_mB_n (розташування атомів компонентів у кристалічній решітці строго впорядковане), утворюють нову упаковку, що відрізняється від кристалічних ґраток елементів, що сплавляються і мають постійну температуру плавлення. Прикладом хімічної сполуки є карбід заліза Fe₃C.

Механічна суміш. Якщо при затвердінні компоненти сплаву не взаємодіють між собою, то утворюється механічна суміш зерен кожного із компонентів. Механічна суміш сплаву може складатися із двох і більшого числа фаз. При цьому кожна з фаз зберігає свій тип кристалічної ґратки. Сплави – механічні суміші – неоднорідні і можуть мати змінний відсотковий вміст компонентів. Такі суміші утворюються при значній різниці атомних радіусів елементів і температур плавлення.

Поняття про діаграми стану, методи їх побудови та одержувані з їх допомогою відомості про будову і властивості сплавів. Як зазначалося раніше, теоретичні основи розробки діаграм стану сплаві були закладені ще Д.К. Черновим, який вивчав структурні та фазові перетворення в сталях при нагріванні.

Агрегатні та фазові стани сплавів згідно закону Гіббса визначаються температурою і хімічним складом. Взаємозв’язок фазового складу і змінних факторів описується діаграмою стану сплаву. Діаграма стану представляє собою графічне зображення фазового стану сплавів в залежності від температури і концентрації в умовах рівноваги.

За діаграмою стану сплавів можна оцінювати властивості всіх сплавів системи, прослідкувати за перетвореннями, що відбуваються при їх нагріванні і охолодженні, визначити температуру початку та кінця плавлення (затвердіння) сплаву, з’ясувати, чи буде сплав однорідним тощо. Діаграма стану дозволяє вибирати температуру нагрівання сплаву при термічній обробці сплаву, при обробці тиском, температуру нагрівання для лиття.

Побудова діаграми стану здійснюється за кривими охолодження, одержаними шляхом термічного аналізу. Діаграми стану часто називають діаграмами фазової рівноваги, оскільки критичні точки визначаються при надто повільному нагріванні або охолодженні сплавів системи. Діаграма стану будується в системі координат, де по вертикалі розташовують шкалу температур, а по горизонталі – вісь концентрацій компонентів. При такій побудові діаграма відбиває стан сплаву будь-якої концентрації при будь-якій температурі.

Характеристика діаграми стану сплавів – механічні суміші. Для випадку, коли у твердому стані компоненти сплаву взаємно нерозчинні діаграма має наступний вигляд (слайд 1.2-3). Така діаграма складається із двох ліній: верхньої – ліквідус (рідкий) і нижньої – солідус (твердий). Плавлення і затвердіння сплавів-сумішей відбувається в інтервалі температур між цими лініями (ліквідусу і солідуса). Вище лінії ліквідусу сплав знаходиться в рідкому стані, а нижче лінії солідуса – в твердому. Тільки сплав з концентрацією компонентів, що відповідає точці С, плавиться і твердне при постійній температурі, як і чисті метали. Цей сплав після затвердіння складається із суміші мілких зерен обох компонентів. Така суміш зветься евтектикою (з грецької “легкоплавкий”), а сплав – евтектичним і має найнижчу температуру плавлення.

Характеристика діаграми стану сплавів – твердих розчинів. Діаграма стану сплавів, компоненти яких А і В володіють необмеженою розчинністю один в одному має наступний вигляд (слайд 1.2-4). Вище лінії ліквідусу сплави знаходяться в однофазному рідкому стані, між лініями ліквідусу і солідусу – в двохфазному стані (кристали твердого розчину і рідина) і нижче лінії солідусу – в однофазному твердому стані: із зерен твердого розчину компонентів А і В. Сплави – тверді розчини на відміну від чистих компонентів затвердіють і плавляться в інтервалі температур між лініями ліквідусу і солідусу. У випадку обмеженої розчинності компонентів на діаграмі стану нижче лінії солідусу буде ще одна лінія, що відображає цю розчинність.

Характеристика діаграм склад – властивість. Практична цінність діаграм стану полягає ще й у тому, що поряд з відображенням агрегатного і фазового стану сплавів, вона відображає зміну їх властивостей. Вперше цей зв’язок встановив Н.С. Курнаков у вигляді діаграм “склад – властивість” (Л.2 – с. 8). Так для сплаву – механічні суміші властивості (твердість, електропровідність і ін.) змінюються за лінійним законом. В сплавах – тверді розчини ці властивості змінюються по кривій з максимумом або мінімумом.

Встановлено, що тверді розчини володіють підвищеною пластичністю, тому добре обробляються тиском. Наявність евтектики в сплавах, навпаки, робить їх більш крихкими, але покращує ливарні властивості.

Лекція 1.3 Діаграма стану залізо-вуглець: складові та особливості будови, призначення та використання.

Мета: Ознайомити студентів із значенням діаграми стану залізо-цементит, властивостями основних компонентів залізовуглецевих сплавів, особливостями побудови діаграми та її фазовими і структурними складовими.

1 Призначення діаграми стану залізо – цементит.

2 Характеристика компонентів: заліза і вуглецю.

3 Взаємодія заліза з вуглецем та характеристика фазових і структурних складових.

4 Особливості діаграми стану. Характеристика крапок і діаграми.

5 Перетворення в сталях і чавунах при нагріванні та охолодженні.

6 Взаємозв’язок будови і властивостей сплавів.

7 Практичне застосування діаграми.

8 Класифікація сталей за наступними ознаками:

а) хімічним складом; б) призначенням; в) якістю; г) способом виробництва; д) будовою; е) способами розкислення.

9 Поняття про вуглецеві сталі. Їх класифікація, будова, властивості, позначення, застосування.

10 Переваги і недоліки вуглецевих сталей.

11 Поняття про чавуни, їх класифікація за видом зламу і структурою.

12 Вплив домішок чавуну на його структуру і властивості.

13 Сірі чавуни, їх хімічний склад, будова, властивості, застосування.

14 Ковкий та високоміцний чавуни. Способи їх виготовлення, хімічний склад, будова, властивості, позначення, застосування.

15 Поняття про спеціальні чавуни.

16 Вплив домішок на властивості вуглецевих сталей.

Рекомендована література

[1. с. 142 – 160, 160 –198; 3. с. 71 – 83; 4. с. 58 – 61, 62 – 65; 5. с. 90 – 102, 102 – 105, 111 – 120; 6. с. 75 – 88 ]

Призначення діаграми стану залізо – цементит. Діаграма стану або діаграма фазової рівноваги у зручній формі показує фазовий склад і структуру сплаву в залежності від температури та концентрації. Спрощена діаграма стану сплаву заліза з вуглецем побудована в інтервалі концентрацій вуглецю 0...6,67%, тобто до утворення хімічної сполуки карбіду заліза Fe₃C, який поводить себе як самостійний компонент. То ж можна вважати компонентами залізовуглецевих сплавів залізо і карбід заліза.

Діаграми стану дозволяють визначити фазові перетворення в умовах дуже повільного охолодження та нагрівання. Ці діаграми характеризують кінцевий стан сплавів, коли всі перетворення в них закінчилися. Цей стан сплаву залежить від зовнішніх умов (температура, тиск) і характеризується числом і концентрацією утворених фах.

Як правило, діаграми стану одержують експериментально і будують в координатах температура – концентрація у відсотках за масою. При цьому використовують криві охолодження застосовуючи термічний аналіз.

Характеристика компонентів сплаву: заліза і вуглецю. До залізо-вуглецевих сплавів належать сталі та чавуни. Для одержання заданих властивостей в сталь та чавун вводять легуючі елементи.

Чисте залізо – метал сріблястого кольору, порівняно м’який і пластичний, з густиною γ = 7,86 г/см³ та температурою плавлення t _пл =1539 ^оС. Міцність заліза складає 250 МПа, твердість НВ 60...80, пластичність δ = 45 %.

При атмосферному тиску в інтервалі температур від абсолютного нуля до 911 ^оС залізо має ОЦК кристалічну решітку (α-Fe). При температурі 911 ^оС відбувається поліморфне перетворення (утворюється ГЦК кристалічна решітка γ-Fe) стійке до 1392 ^оС (слайд 1.3-1); вище 1392 ^оС залізо знову переходить в фазу α-Fe, яку нерідко позначають як δ-залізо. Таким чином, критична температура перетворення α ↔ γ становить 1392 ^оС, а критична температура перетворення γ ↔ α – 911 ^оС.

Вуглець являється неметалевим поліморфним елементом. Температура плавлення вуглецю t _пл =1539 ^оС. У звичайних умовах він знаходиться у вигляді модифікації графіту.

Вуглець розчиняється в залізі у рідкому і твердому станах, а також може знаходитися у вигляді хімічної сполуки Fe₃C – цементиту, а у високовуглецевих сплавах і у вигляді графіту.

Взаємодія заліза з вуглецем та характеристика фазових і структурних складових. В системі Fe – C розрізняють наступні фази: рідкий сплав, тверді розчини – ферит і аустеніт, а також цементит і графіт.

Твердий розчин вуглецю в α-Fe і δ-Fe називається феритом (слайд 1.3-2), а в γ-Fe – аустенітом (слайд 1.3-3). Розчинність вуглецю в α-Fe досить мала і тому властивості фериту близькі до властивостей чистого заліза. Аустеніт має ГЦК решітку з крупними (в центрі куба) порами, зручними для розміщення атомів вуглецю, тому в γ-Fe розчиняється від 0,765 до 2,14 % С. Аустеніт – парамагнітна пластична фаза і його властивості залежать від вмісту вуглецю. Ферит і аустеніт, як і чисті метали, мають зернисту будову.

Цементит – хімічна сполука Fe₃C (карбід заліза), що містить 6,67 % С, відрізняється високою твердістю (≥800 НВ) крихкістю, температура плавлення 1600 ^оС. Кристалізується цементит по лінії ліквідусу СD (разом з тим, по лінії ліквідусу АС кристалізується аустеніт). В точці С при температурі 1147 ^оС і вмісту в розплаві 4,3 % С одночасно кристалізуються аустеніт і цементит, утворюючи при цьому евтектику – ледебурит.

Сплави заліза з вуглецем, в яких в результаті первинної кристалізації в рівновазі утворюється аустенітна структура, називають сталями. Отже сталі – це залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю до 2,14 % C.

Сплави з вмістом вуглецю більше 2,14 %, в яких при кристалізації утворюється евтектика ледебурит, називають чавунами. Отже, чавуни – це залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю більше 2,14 % C.

Особливості діаграми стану. Характеристика крапок діаграми. Лінії ліквідусу АСD та солідуса AECF та їх відповідні відрізки GC, SE i PSK відображають перетворення в сплавах після затвердіння. Точка Е, що відповідає концентрації 2,14 % С, є критичною точкою і вертикаль, проведена через цю точку, поділяє залізовуглецеві сплави за структурою на дві групи (рис. 1.3-1 – діаграму стану залізо-цементит).

Зліва від вертикалі через цю точку розташовані сплави, які тверднуть з утворенням твердого розчину вуглецю в γ-залізі, що зветься аустенітом (А). Ці сплави досить пластичні, здатні оброблюватися тиском, їх звуть сталями.

Сплави, що праворуч від вертикалі через точку Е, з вмістом вуглецю більше 2,14 % С, тверднуть з утворенням евтектики (ледебуриту), що зменшує пластичність цього сплаву, але покращує ливарні властивості. Ці сплави називають чавунами.

Зазначені сплави (сталі і чавуни) є основними сплавами на основі заліза в системі Fe-C.

Рисунок 1.3-1 – Діаграма стану залізо-цементит

Перетворення в сталях і чавунах при нагріванні та охолодженні. Користуючись діаграмою стану залізо-цементит (рис. 1.3-1) аналізуємо та коментуємо фазовий склад та ті фазові перетворення які відбуваються при відповідних температурах для доевтектоїдної (0,3 % С), евтектоїдної (0,8 % С) та заевтектоїдної (1,2 % С) сталях при їх нагріванні та охолодженні.

Такий же аналіз з коментарями проводимо, користуючись зазначено діаграмою, і для чавунів – доевтектичного білого (3,0 % С), евтектичного білого (4,3 % С) та заевтектичного білого (5,0 % С) відповідно при нагріванні та охолодженні.

Взаємозв’язок будови і властивостей сплавів. Діаграми склад – властивість (слайд 1,3-4, Л.3 с. 74) є найцінніший додаток до діаграм стану сплавів: вони характеризують зміну властивостей сплаву в залежності від складу сплаву.

Ці діаграми дають інформацію про характер змін твердості та електропровідності в залежності від виду діаграм стану. Поряд із визначенням твердості, міцності, електропровідності діаграми стану дають можливість визначати ливарні властивості, здатність піддаватися обробці тиском, різанням тощо.

Практичне застосування діаграми. Діаграма стану сплавів системи залізо – цементит використовується практично для визначення температури плавлення та початку і кінця кристалізації для різних марок сталей та чавунів, визначати їх фазовий склад, температури фазових перетворень, оцінювати режими їх термічної обробки.

Лекція 1.4 Лекція 1.4 Будова, маркування, властивості та застосування вуглецевих сталей і чавунів. Поняття про леговані сталі.

Мета: Ознайомити студентів із класифікацією, позначеннями і застосуванням вуглецевих сталей і чавунів, легованих сталей, впливом легуючих елементів на структуру, властивості та фазові перетворення в сталі.

1. Класифікація сталей за наступними ознаками:

а) хімічним складом;

б) призначенням;

в) якістю;

г) способом виробництва;

д) будовою;

е) способами розкислення.

2. Поняття про вуглецеві сталі. Їх класифікація, будова, властивості, позначення, застосування.

3. Переваги і недоліки вуглецевих сталей.

4. Поняття про чавуни, їх класифікація за видом зламу і структурою.

5. Вплив домішок чавуну на його структуру і властивості.

6. Сірі чавуни, їх хімічний склад, будова, властивості, застосування.

7. Ковкий та високоміцний чавуни. Способи їх виготовлення, хімічний склад, будова, властивості, позначення, застосування.

9 Поняття про леговану сталь.

10 Розподіл легуючих елементів у сталях.

11 Вплив легуючих елементів на властивості сталей.

12 Вплив легуючих елементів на фазові перетворення в сталі.

13 Класифікація легованих сталей.

14 Характеристика легованих конструкційних сталей, їх позначення і застосування.

15 Характеристика легованих інструментальних сталей, їх позначення і застосування.

16 Характеристика легованих спеціальних сталей, їх позначення і застосування.

17 Переваги і недоліки легованих сталей.

18 Класифікація кольорових металів.

19 Властивості і застосування міді та сплавів на її основі.

20 Властивості і застосування алюмінію та сплавів на його основі.

21 Титан і характеристика сплавів на основі титану.

22 Характеристика сплавів на основі магнію.

Рекомендована література

[1. с. 403 –434, 434 – 443, 478 – 524; 3. с. 192– 210, 221 – 238; 4. с. 85 – 129; 5. с. 105 – 111, 267 – 294; 6. с. 108 – 124, 124 – 132 ]

Класифікація сталей за наступними ознаками:

а) за хімічним складом (вмістом вуглецю) сталі поділяють на низьковуглецеві (до 0,3 % С), середньовуглецеві (0,3...0,6 % С) та високовуглецеві (понад 0,6 % С). Крім того, сталі містять крім вуглецю до 0,4 % Si, 0,5…0,8 % Mn і по 0,2...0,6 % S і P. Кремній і марганець є корисними домішками, розчиняючись у фериті, зміцнюють сталь. Сірка і фосфор – небажані домішки, від них намагаються позбутися. Сталі, в яких містяться спеціально введені домішки (легуючі елементи), що змінюють їх властивості називаються легованими.

б) за призначенням всі вуглецеві сталі поділяють на конструкційні (С≤ 0,8 %) та інструментальні (С ≥ 0,8 %). Існують також леговані сталі. У легованих сталях легуючі елементи змінюють їх властивості. Легуючі елементи підвищують міцність сталі. Найбільше зміцнюють кремній, марганець і нікель.

У якісних конструкційних сталях міститься менше сірки та фосфору (≤0,04 %). Ці сталі маркують числами 08, 10, 15, 20,..., 85, що вказують середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка.

Число на початку марки конструкційної сталі вказує на вміст вуглецю у сотих долях відсотка, цифри після букв – середній вміст позначеного буквами елемента у відсотках, наприклад, 18Х2Н4В (0,18 % С, 2 % Cr, 4 % Ni, 1 % W).

Інструментальні сталі поділяють на якісні: У7, У8...У12, У13 та високоякісні: У7А, У8А...У12А, У13А. Числа в марці сталі вказують на вміст вуглецю у десятих долях відсотка. Інструментальні сталі використовують для виготовлення різальних, вимірювальних та інших інструментів.

в) за якістю та способами розкислення сталі поділяють в залежності від вмісту в них шкідливих домішок – сірки та фосфору. До сталей звичайної якості відносять сталі з вмістом до 0,04...0,06 % сірки та фосфору. Позначають їх буквами Ст і цифрою – номером сталі, наприклад Ст1, Ст3, а таж вказується ступінь розкислення сталі: кипляча (кп), напівспокійна (пс), спокійна (сп), наприклад, Ст2кп, Ст4сп.

г) способом виробництва вуглецеві сталі звичайної якості випускаються гарячо- та холоднокатаними, у вигляді заготовок з установок безперервного лиття, труб, поковок, штамповок, стрічки, дроту. Вуглецева якісна сталь випускається гарячекатаною і кованою.

д) будовою сталі можуть бути відповідно перлітні, карбідні, феритні, аустенітні та мартенситні. Вони відрізняються механічними та технологічними властивостями.

Поняття про чавуни, їх класифікація за видом зламу і структурою. Як вуглецеві сталі чавуни містять постійні домішки, але в більших кількостях (3...3,5 % С; 1,5...3,0 % Si; біля 0,5 % Mn; до 0,12 % S та 0,3 % P). Графіт у сірому чавуні виділяється у вигляді пластинок, пластівців та кульок.

Чавуни з пластинчастим графітом називають звичайними сірими. Механічні властивості чавунів обумовлені їх структурою, що визначається не тільки хімічним складом, але й умовами затвердіння. Тому в марках чавунів зазначається їх властивості. Наприклад, марка сірого чавуну СЧ15 визначається: звичайний сірий чавун (СЧ) з межею міцності на розтяг 15 МПа.

Ковкі чавуни одержують з білих. При тривалому відпалюванні цементит розпадається з виділенням графіту у вигляді пластівців. Такі включення роблять чавун міцнішим і пластичнішим сірого чавуну і збільшують ударну в’язкість. Позначають ковкий чавун буквами КЧ, перше число в марці вказує межу міцності на розтяг, друге – відносне видовження, наприклад, КЧ 33-8.

Високоміцні чавуни містять графітні включення кулястої форми. Механічні властивості таких чавунів значно вищі: межа міцності на розтяг досягає 1200МПа, відносне видовження складає 2...17 %, а ударна в’язкість – 0,2...0,6 МДж/м². такий чавун у ряді випадків може замінювати сталь. Позначають його буквами ВЧ і числом – межею міцності на розтяг, наприклад, ВЧ 80.

Вплив домішок чавуну на його структуру і властивості. Більша частина вуглецю в сірому чавуні знаходить у вигляді пластинок (луски) графіту, що частково розмежовує металічну суцільність сплаву (звідси крихкість). До складу чавуну входить кремній (масовий вміст – 0,8...3,6 %) як компонент, що сприяє утворенню сірого чавуну. Утворюючи з залізом силіциди сприяє виділенню графіту. Зменшення таким чином в чавуні цементиту покращує оброблюваність його різальними інструментами. При цьому також знижується температура плавлення і покращення формоутворенню відливок.

Марганець збільшує стійкість карбіду заліза при затвердінні і охолодженні чавуну.

Сірка знижує рідкотекучість чавуну, роблячи його густим, що погано заповнює форму, надає чавуну крихкість. Максимально допустимий вміст сірки в ливарному чавуні до 0,07 %.

фосфор створю в чавуні тверду і крихку фосфідну евтектику. Фосфор також знижує температуру плавлення, збільшує його рідкотекучість і зменшує усадку. Це дає можливість одержувати із фосфористого чавуну тонкі відливки з чистою і гладкою поверхнею, що використовують при художньому литті.

Вплив домішок на властивості вуглецевих сталей. Крім вуглецю у складі вуглецевої сталі завжди присутні кремній, марганець, сірка і фосфор, які певним чином впливають на властивості сталі. З підвищення масового вмісту вуглецю твердість, часовий опір σ_в і межа пружності σ_пр зростають, разом з тим відносне видовження δ зменшується.

Постійні домішки сталі звичайно містяться в межах (%): кремній – до 0,5; сірка – до 0,05; марганець – до 0,7; фосфор – до 0,05.

Кремній і марганець в зазначених межах суттєво на властивості сталі не впливають. З підвищенням їх масового вмісту спостерігається зростання твердості і міцності сталі. Це вже вважаються сталі легованими.

Сірка являється шкідливою домішкою, бо утворені нею хімічні сполуки з залізом підвищують червонокрихкість сталі, знижується пластичність і міцність, опір стиранню і корозійна стійкість.

Фосфор придає сталі холодноламкість (крихкість при звичайній та пониженій температурі).

Поняття про леговану сталь. Низка механічних властивостей як міцність, в’язкість, жаро- та холодостійкість вуглецевих сталей у багатьох випадках не задовольняють умови роботи деталей машин в машинобудуванні та інструментального виробництва.

Покращити властивості сталей можна шляхом введення в них легуючих елементів. Такі сталі називають легованими.

Розподіл легуючих елементів у сталях. Для легування сталі застосовують наступні елементи, які позначають відповідними буквами: Х – хром, Н – нікель, Г – марганець, С – кремній, В – вольфрам, М – молібден, Ф – ванадій, К – кобальт, Т – титан, Ю – алюміній, Д – мідь, П – фосфор та ін.

Якщо в сталь ввести один легуючий елемент, то сталь називають по цьому елементу, таку сталь називають потрійною, бо вона містить залізо, вуглець і легуючий елемент. Із потрійних сталей застосовують хромисту, марганцеву та кремнієву. При наявності в сталі двох і більше легуючих елементів утворюється складнолегована сталь (хромонікелева, хромокремністованадієва та ін.). Хром, кремній і марганець присутні у більшості легованих сталей.

За сумарним масовим вмістом легуючих елементів можуть бути низьколеговані (до 2,5 %), середньолеговані (2,5...10 %) та високолеговані (більше 10 %) сталі.

Класифікація легованих сталей. Леговані сталі поділяють на конструкційні, інструментальні та зі спеціальними фізичними властивостями. До конструкційних легованих сталей належать сталі, які застосовуються для виготовлення цементуючих та покращених термообробкою деталей машин, пружин, шарикопідшипників, жароміцні, зносо- та корозійностійкі сталі. Ці сталі легуються різними елементами: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, Ti, Al і ін.

До інструментальних відносяться сталі для різального, штампувального, вимірювального інструменту, які повинні володіти значною твердістю та зносостійкістю. Тому їх легують в основному елементами, що утворюють карбіди – Cr, W, V, Mo та ін.

До сталей зі спеціальними властивостями належать магнітні матеріали з високим електричним опором, з заданим коефіцієнтом лінійного розширення, з особливими пружними властивостями. В цих матеріалах переважно значний вміст Ni, Cr, Co і ін.

Вплив легуючих елементів на властивості сталей. Різні легуючі елементи по різному впливають на властивості сталей. Так, скажімо, легування сталі нікелем підвищує його прожарюваність (прогартованість), цьому ж сприяє і домішки марганцю, молібдену, хрому, бора. Нікель до того ж підвищує в’язкість і пластичність сталі, знижує температуру порогу холодноламкості. Або, наприклад, домішки алюмінію затримують ріст зерен аустеніту, молібден і вольфрам підвищують стійкість сталі до відпускання тощо.

Вплив легуючих елементів на фазові перетворення в сталі. Введення більшості легуючих елементів визначає підвищення точок початку і кінця кристалізації, що забезпечую можливість підвищення температури нагрівання легованої сталі для загартування. Леговані сталі мають меншу теплопровідність і потребують біль тривалої витримки для фазових перетворень. Багато легуючих елементів підвищують стійкість мартенситу проти відпускання, тому для досягнення потрібної міцності леговані сталі при відпусканні нагрівають до більш високих температур, ніж вуглецеві.

Характеристика легованих конструкційних сталей, їх позначення і застосування. Конструкційні низьколеговані сталі загального призначення містять 1,5 – 2,5 % легуючих елементів, які визначають покращення механічних властивостей сталі порівняно з вуглецевими.

Для важких умов тривалих і вібраційних навантажень рекомендовані сталі марок 10ХСНД, 15ХСНД, термооброблена сталь 10Г2С; для конструкцій без динамічних навантажень – 14Г2, 14Г2АФ, для труб великого діаметра газогонів – 17ГС, 14Г2САФ ін.

Низьколеговані сталі широко використовуються в авто- та суднобудуванні.

Конструкційні сталі виробляють покращеними (термооброблені), цементуючими (з підвищеними твердістю та зносостійкістю поверхневого шару), автоматними (з добрими властивостями при механічній обробці).

Характеристика легованих інструментальних сталей, їх позначення і застосування. Як уже зазначалося до інструментальних відносяться сталі для різального, штампувального, вимірювального інструменту, які повинні володіти значною твердістю та зносостійкістю.

Для ударно-штампувального інструмента використовують високолеговану хромисту сталь, наприклад, марок Х12 (2,0...2,2 % С і 11,5...13,0 % Cr), Х12ВМ і ін. Для різального інструменту використовують: різці, свердла, фрези – сталь 9ХС, для мітчиків, свердел, розверток – ХВГ, 9Х5ВФ, для різання твердих матеріалів – ХВ5.

Швидкорізальна сталь – це високолегована сталь, що володіє червоностійкістю, тобто не втрачає твердість при нагріванні до 600-640 ^оС. До таких сталей належать сталі марок Р18, Р12, Р5М5, Р14Ф4, Р9К10 та ін. Зокрема, різання конструкційних матеріалів використовують сталі Р9, Р12, Р18; для різьбонарізних інструментів – Р6М5; для обробки в’язких матеріалів – Р18К5Ф2 та ін.

Характеристика легованих спеціальних сталей, їх позначення і застосування. Сталі спеціального призначення (шарикопідшипникові, високоміцні та зносостійкі, корозійностійкі, жаростійкі т ін.) виготовляють введенням різного сполучення легуючих елементів та виконанням відповідної термічної обробки.

Заслуговують на увагу сталі з особливими властивостями, зокрема, магнітном’які сталі. З них виготовляють осердя трансформаторів, полюсів електромагнітів, реле та роторів електродвигунів.

Магнітнотверді сталі марок ЕХ3, ЕХ5К5, а також У8 та У10 застосовують для виготовлення постійних магнітів.

Нікелеві сплави (ніхроми) марки Х20Н80 (20 % Cr, 80 % Ni) мають значний питомий опір і використовуються для виготовлення електропечей та побутових нагрівачів.

Для виготовлення деталей приладів з незалежними розмірами від температури використовують залізонікелеві сплави, наприклад, 18ХТФ.

Дата добавления: 2014-01-07