- •Теоретический курс
- •Раздел 1. Металловедение.
- •1.1. Общая характеристика металлов.
- •1.1.1. История познания металлов человеком
- •1.1.2. Кристаллическое строение
- •1.1.3. Типы кристаллических решеток
- •1.1.4. Анизотропия свойств кристаллов
- •1.1.5. Полиморфизм в металлах
- •1.1.6. Строение реальных кристаллов
- •Вопросы для самопроверки
- •2.2. Кристаллизация металлов
- •2.2.1. Теоретические основы
- •1.2.2. Механизм процесса кристаллизации
- •1.2.3. Основные явления кристаллизации слитков. Влияние формы кристаллов на служебные характеристики металла
- •Вопросы для самопроверки
- •1.3. Основы теории сплавов.
- •1.3.1. Внутреннее строение и свойства механических смесей, твердых растворов и химических соединений
- •1.3.2. Диаграммы состояния сплавов. Их типы и построение
- •Вопросы для самопроверки
- •1.4. Железоуглеродистые сплавы.
- •1.4.1. Железо
- •1.4.2. Углерод
- •1.4.3. Структурные составляющие системы железо-углерод
- •1.4.4. Диаграмма состояния железо – цементит (метастабильное равновесие)
- •Вопросы для самопроверки
- •1.5. Термическая обработка стали
- •1.5.1. Основы технологии термической обработки
- •1.5.2. Основные параметры процессов термической обработки
- •1.5.3. Основные виды термической обработки
- •1.5.4. Основные превращения в сталях в процессах термообработки
- •1.5.5. Химико-термическая обработка стали. Общая характеристика процессов
- •1.5.6. Термомеханическая обработка (тмо)
- •Вопросы для самопроверки
- •1.6. Физические основы пластичности и прочности металлов
- •1.6.1. Виды деформации
- •1.6.2. Механические свойства металлов
- •1.6.3. Влияние дефектов кристаллической решетки на прочность металла
- •1.6.4. Методы исследования строения, структуры и свойств металлов
- •Вопросы для самопроверки
- •1.7. Влияние температуры на структуру и свойства металлов
- •1.7.1. Диффузия ядер в металлах
- •1.7.2. Влияние повышения температуры на механические свойства
- •1.7.3. Возврат и рекристаллизация деформированного металла при нагреве
- •1.7.4. Сфероидизация и графитизация цементита в сталях
- •Вопросы для самопроверки
- •1.8. Углеродистые и легированные стали
- •1.8.1. Условия эксплуатации и требования к сплавам
- •1.8.2. Структура и основные свойства сталей
- •1.8.3. Принципы классификации и маркировки сталей
- •1.8.4. Конструкционные стали
- •1.8.5. Инструментальные стали
- •1.8.6. Легированные стали в энергетике
- •Вопросы для самопроверки
- •1.9. Чугуны
- •1.9.1. Классификация чугунов
- •1.9.2. Серые чугуны
- •1.9.3. Высокопрочные чугуны
- •1.9.4. Ковкие чугуны
- •1.9.5. Специальные чугуны
- •1.9.6. Маркировка чугунов
- •Вопросы для самопроверки
- •1.10. Сплавы на основе железа с различными металлами
- •Вопросы для самопроверки:
1.8.2. Структура и основные свойства сталей
Железоуглеродистые сплавы с концентрацией углерода до 2,14 %, называют сталями.Они после затвердевания не содержат хрупкой структурной составляющей - ледебурита и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому они легко деформируются при нормальных и повышенных температурах, т.e. являются ковкими сплавами.
Сталь – основной металлический конструкционный материал, широко применяемый для инженерных сооружений, изготовления оборудования, машин, приборов и инструментов. Ее обширное использование обусловлено удачным сочетанием ценного комплекса механических, физико-химических и технологических свойств. Кроме того, она сравнительно недорогая и может производиться в любом количестве.
Механические свойства углеродистой стали зависят от концентрации в ней углерода. С увеличением количества углерода повышается концентрация цементита и уменьшается скопление феррита. Это вызывает усиление прочности и твердости и снижение пластичности сплава.
Кроме углерода в сталях обязательно присутствуют различные примеси.
Примесяминазывают химические вещества, перешедшие в состав сталей в процессе их производства как технологические добавки или как сопутствующие составляющие шихтовых материалов. Примеси бывают постоянными, скрытыми, случайными и специальными.
К постояннымпримесям относятся марганец, кремний, фосфор и сера.
Марганец и кремний вводят в процессе выплавки в сталь для ее раскисления. Марганец способствует уменьшению содержания сульфида железа в сплаве. Оба элемента растворяются в феррите, повышая его прочность. Марганец также растворяется и в цементите. Концентрация этих примесей составляет обычно до 0,7 - 0,8 % марганца и до 0,5 % кремния.
Сера - вредная примесь - попадает в сталь главным образом с исходным сырьем. Она повышает хрупкость материала. Данное явление получило название красноломкости. Сера содержится в виде сульфидов железа и марганца, не растворимых в -железе при комнатной температуре. Красноломкость наступает при горячей деформации стали вследствие расплавления сульфида железа в-железе (988С), расположенного по границам зерен. От этого сплав предохраняет марганец, который связывает серу в соответствующий тугоплавкий сульфид (Тпл= 1620С). Однако одновременно сульфид марганца нарушает однородность в структуре сплава, снижает его пластичность и вязкость, усталостную прочность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Все это связывается с усилением полосчатости ферритно-перлитного строения из-за вытянутости сульфидов. В жаропрочных сталях повышение концентрации серы заметно уменьшает пределы ползучести и длительной прочности. Содержание серы допускается не более 0,06 %.
Фосфор также поступает в сталь с белым чугуном. Он как и сера является нежелательной добавкой, так как снижает пластичность сплава. Хрупкость стали, вызванная фосфором, тем выше, чем больше в ней содержится углерода. Поэтому количество фосфора в сплавах не должно превышать 0,05 %.
Скрытыепримеси составляют присутствующие в сталях газы. Это азот, кислород и водород. Свое название они получили из-за сложности определения их количества в сплавах. Данные вещества заносятся в сталь при ее выплавке. Они очень сильно снижают ее пластичность. Содержание их допускается лишь до 10-2- 10-4%. Кислород вызывает красно- и хладноломкость и снижает прочность. Азот в виде нитридов железа, вызывающих деформационное старение. В холоднодеформированном сплаве атомы азота накапливаются на дислокациях и блокируют их. Сталь теряет свою пластичность. Положительное влияние азота – связывание его в прочные нитриды легирующих металлов, таких какAlN,VN,NbNи т. д. Он также используется в качестве аустенитообразуещего компонента в коррозионно-стойких и жаропрочных сплавах. Водород как примесь скапливается в порах и на дислокациях, вызывая увеличение хрупкости. Она тем резче, чем выше прочность металла. Наиболее сильно охрупчиваются закаленные мартенситные стали, меньше – аустенитные. Также большая концентрация водорода в сплаве может привести к флокенам – внутренним надрывам.
Случайнымипримесями могут быть любые химические элементы периодической системы, попавшие в шихту вместе с металлоломом или чугуном при производстве стали. Количество их в сплавах должно быть ниже тех пределов, когда эти же вещества или элементы вводят специально.
Специальные добавки. Это вещества или металлы, специально внедряемые в сплавы для получения каких-то определенных их свойств. Данные элементы именуют легирующими, а стали - легированными. Содержание их может быть различно и зависит от свойств того или иного элемента. Например, концентрация хрома или никеля в легированных сталях должна составлять от 1 % и более, а таких металлов, как ванадия, молибдена, титана и ниобия выше 0,1 - 0,5 %.