19. Діаграма стану “залізо-цементит”
Щоб добре розумітися на мікроструктурах залізовуглецевих сплавів, потрібно ретельно вивчити діаграму “залізо-цементит”.
Діаграма стану Fe–F3С (залізо - цементит) репрезентована на рис. 2.2. На вісі абсцис на діаграмі наведений вміст вуглецю і цементиту. Кількість цементиту в сплаві дорівнює 15-кратному вмісту вуглецю.
На діаграмі є вісім однофазних ділянок: на лівій вісі ординат відрізок AN відповідає a(d)-залізу, відрізок NG - g-залізу, відрізок нижче точки G - a-залізу.
Рис. 2.2. Діаграма стану “залізо-цементит”
Оскільки кожна з цих модифікацій заліза взаємодіє з вуглецем, то діаграму стану можна розглядати як триповерхову, що складається з частин І, ІІ, ІІІ (рис. 2). Всі модифікації заліза утворюють з вуглецем тверді розчини проникнення. В області AHN твердий розчин вуглецю в a-залізі - ферит (Ф) (іноді позначають d-твердий розчин). В області AJESG твердий розчин вуглецю в g-залізі - аустеніт (А). В області GSO твердий розчин вуглецю - в низькотемпературній модифікації a-заліза (Ф).
20. Конструкційну сталь використовують для виготовлення будівельних конструкцій, деталей машин.
Для конструкційної легованої сталі прийнято маркування, за яким перші дві цифри вказують середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка, букви - наявність відповідних легуючих компонентів, а цифри, що стоять за буквами, процентний вміст цих компонентів. Якщо після якоїсь букви немає цифри, то це означає, що сталь містить даний елемент у кількості біля 1 %.
Для позначення легуючих компонентів взято такі букви:
Х - хром, Н - нікель, Г - марганець, С - кремній, В - вольфрам, М - молібден, Ф - ванадій, К - кобальт, Т - титан, Ю - алюміній, Д - мідь, Р - бор, Б - ніобій, А - азот, Е - селен, Ц - цирконій.
Наприклад, марка 30ХН3 означає хромонікелеву сталь, що містить 0,3 % С, до 1 % Сr та 3 % Nі.
Для позначення високоякісної легованої сталі у кінці маркування додають букву А, наприклад, 30ХГСА, для позначення особливо високоякісної сталі - букву Ш.
21. Інструментальні сталі, які використовуються для виготовлення різального інструменту, в залежності від хімічного складу поділяються на вуглецеві, леговані і швидкорізальні (високолеговані).
1.Вуглецеві інструментальні сталі (ГОСТ1435-74) випускаються середньої якості і високоякісні, що мають менший вміст сірки і фосфору. Найбільш широке розповсюдження одержали сталі марок У8;У8А;У10А;У12А, які містять 0,8;1,0-1,2% вуглецю. А-високоякісна сталь. Ці сталі мають низьку теплостійкість (200-250оС), досить технологічні і недорогі. Вони використовуються для виготовлення ручного інструменту, який працює при невисоких швидкостях різання. Основними складовими тут є залізо, вуглець і марганець. Із збільшенням кількості вуглецю ростуть твердість і протизношувальна тривкість сталі, але знижується її пластичність. Сталі з збільшеним вмістом вуглецю краще гартуються. Маганець придає сталі такі ж властивості, як і вуглець, а також очищає її від сірки і робить метал більш щільним, але він сприяє росту зерна при гартуванні, що є причиною утворення тріщин, тому марганцю в сталі не більше 0,4%. У складі цих сталей є ще Si,Cr,Ni, S iP. Сірка і фосфор шкідливі ,тому їх не більше 0.03%. Хром і нікель в комбінації з вуглецем і марганцем дещо покращують сталь, але не мають великого значення. Кремній підвищує пружність сталі, її твердість, стійкість проти корозії, але знижує пластичність, його у сталі не більше 0,35%.
22. Всі легуючі елементи підвищують міцність.
Легуючі елементи, які утворюють карбіди, подрібнюють зерно при кристалізації.
Корозійної стійкості, жаростійкості (окалиностійкості), жароміцності, теплостійкості легуючі елементи надають лише при значній кількості в сталях (хром 8-13%, нікель 8-12%, вольфрам, молібден понад 5%).
Окремі хімічні елементи:
Хром — при кількості більше ніж 13% надає корозійної стійкості, понад 5% — жаростійкості.
Нікель — одночасно з міцністю підвищує ударну в'язкість, а також жароміцність (понад 8%).
Кремній — в ресорно-пружинних сталях надає пружності, а у високотемпературних сталях — жаростійкості.
Марганець — сприяє росту аустенітного зерна при перегріві.
Вольфрам і молібден — утворюють важкорозчинні карбіди і за значної кількості (понад 5%) надають сталі теплостійкості.
Титан і ванадій — переважно для подрібнення зерна і стримання його росту при нагріванні.
В корозійно-стійких сталях титан запобігає міжкристалітній корозії, алюміній підвищує твердість при азотуванні, а також жаростійкість.
23. Конструкційні леговані сталі Ці сталі виготовляють якісними (вміст сірки і фосфору не перевищує 0,035%), високоякісними (вміст сірки і фосфору до 0,025%) і особливо високоякісними (вміст сірки ≤ 0,15%, а фосфору ≤ 0,025%). Їх маркування буквено-цифрове, змістове. На початку марки зазвичай стоять цифри, які відображають вміст вуглецю в сталі в сотих частках процента. Потім ідуть букви, які позначають назву тих легуючих елементів, що входять у дану марку сталі. Якщо при цьому вміст легуючого елемента становить 1 – 1,5%, то після букви його позначення ніяка цифра не ставиться, а якщо ж його вміст перевищує 1,5%, то після букви-позначення ставлять цифру, що відображає його вміст у процентах. Наприкінці марки високоякісної сталі ставлять букву "А", а особливо високоякісної – букву "Ш": Приклади марок: 12ХН3А – конструкційна хромонікелева легована сталь з вмістом вуглецю 0,12%, нікелю 3%, хрому 1 – 1,5%, високоякісна. 30ХГСШ – кострукційна хромокремнієвомарганцева легована сталь з вмістом вуглецю 0,3%, а хрому, марганцю і кремнію по 1 – 1,5%, особливо високоякісна. За ГОСТом конструкційні леговані сталі поділяються на 13 груп, назва яких визначається назвою легуючих елементів, що входять у неї. Наприклад, хромисті сталі, марганцеві, хромонікелеві тощо. Конструкційні сталі застосовують для виготовлення різних будівельних конструкцій і деталей машин, а інструментальні стали - переважно для виготовлення інструменту.
Леговані інструментальні сталі (ГОСТ5950-73) мають до1% вуглецю і додатково леговані вольфрамом, хромом, ванадієм і іншими елементами (до 6%) які повищають теплостійкість сталі до 3000С. Найбільшого розповсюдження набули сталі 9ХС, ХВГ, Х6ВФ, 9ХФМ, 7ХНМФБ, 8Н1А, 6ХС, 9Х5ВФ, Х12, Х12Ф і інші. Використовуються вони для виготовлення інструменту, що працює при невисоких швидкостях різання (до 20 м/хв) – це мітчики, плашки, прошивки, протяжки, штампи, деревообробний інструмент. Ці сталі непогано обробляються відносно недорогі і після термообробки мають твердість НRC62-64//
Низьколеговані сталі мають міжнародне позначення згідно Високолеговані сталі позначаються і містять більше 5% легуючих елементів, до 2% вуглецю і до 12% хрому і відповідають нашим Х12 і Х12Ф. Інструментальну леговану сталь застосовують для виготовлення ріжучого інструменту, штампів, вимірювального і іншого інструменту.
24. Сталі спеціального призначення Деякі галузі промисловості та техніки (авіаційна техніка, ракетобудування, хімічна промисловість, ядерна енергетика, космічна техніка тощо) потребують таких конструкційних матеріалів, які працюють у надто відповідальних умовах: при високих температурах і великих навантаженнях, при різких коливаннях температур та навантажень, з хімічно високоактивними реагентами, підвищеною радіацією та агресивністю середовища тощо. У зв’язку з цим і виготовляють сталі спеціального призначення (з особливими властивостями), які поділяються на три групи:
Корозієстійкі (нержавіючі) сталі – застосовуються в умовах підвищеної хімічної активності, в тому числі атмосферної. Так, наприклад, сталі 12Х13, 15Х13 застосовують для забезпечення корозієстійкості в атмосферних умовах (лопатки турбін, клапани гідравлічних насосів тощо). Жаростійкі сталі – забезпечують надійну експлуатацію деталей машин при температурі 500 оС та більше у механічно напруженому стані і при підвищеній агресивності середовища. Так, наприклад, для клапанів авіаційних двигунів застосовують хромокремнієву сталь 40Х9С2, а для деталей паронагрівачів – аустенітну жаростійку сталь 45Х14Н14В2М. Зносостійкі сталі – застосовують для виготовлення деталей машин та елементів конструкцій, які працюють в умовах високого тертя при високому навантаженні. Так, наприклад, для виготовлення ковшів ескаваторів та траків гусеничних машин застосовують високомарганцеву сталь Г13Л.
25. Кольоро́ві мета́ли — це промислова назва всіх металів, крім заліза. Властивості кольорових металів визначаються особливістю їхньої атомної будови. Установлена чітко виражена періодична залежність багатьох властивостей елементів від їхнього атомного номера.
Легкі та важкі метали
Кольорові метали і сплави умовно підрозділяють на легкі і важкі. До легких відносяться метали, у яких густина не перевищує 5 г/см3: магній, берилій, алюміній, титан і ін. (найлегший метал — літій — 0,536 г/см3). До важких відносять метали, у яких щільність перевищує 5 г/см3. Найважчими елементами є осмій (22,48 г/см3), іридій (22,46 г/см3),золото і вольфрам (19,3 г/см3).
Класифікація за температурою плавлення
Кольорові метали підрозділяють також за температурою плавлення. Легкоплавкі мають Тпл. до 600 оС (цинк, свинець, кадмій, вісмут, олово й ін.). Середню Тпл. (600 — 1600 оС) має мідь. Тугоплавкими вважаються метали, що плавляться при температурах вище 1 600°C — титан, хром, ванадій, цирконій і ін.
Кольорові метали та їх сплави знайшли широке застосування в будівництві завдяки своїй міцності, легкості, високою антикорозійною стійкості. Вони поділяються на легкі (в більшості своїй на основі алюмінію) і важкі (на основі міді, латуні, олова і т.п.)
26. Найбільш поширені сплави - бронза і латунь. В різноманітних областях техніки широко використовуються сплави з використанням міді, самими широкораспространеннимі з яких є згадувані вище бронза і латунь. Обидва сплави є загальними назвами для цілого сімейства матеріалів, куди крім олова і цинку можуть входити нікель, вісмут і інші метали. Наприклад, до складу так званого гарматного металу, який в XVI-XVIII вв. дійсно використовувався для виготовлення артилерійських знарядь, входять всі три основні метали - мідь, олово, цинк; рецептура мінялася від часу і місця виготовлення знаряддя. У наш час знаходить застосування у військовій справі в кумулятивних боєприпасах завдяки високій пластичності, велика кількість латуні йде на виготовлення збройових гільз. Мідно-нікелеві сплави використовуються для чеканки розмінної монети. Мідно-нікелеві сплави, зокрема т. з. «адміралтейський» сплав широко використовуються в суднобудуванні і областях застосування, пов′язаних з можливістю агресивної дії морської води із-за зразкової корозійної стійкості. В ювелірній справі часто використовуються сплави міді із золотом для збільшення міцності виробів до деформацій і стирання, оскільки чисте золото дуже м’який метал і нестійкий до цих механічних дій. Оксиди міді використовуються для отримання оксиду ітрію барію міді YBa2Cu3O7-д, який є основою для отримання високотемпературних надпровідників. Мідь застосовується для виробництва мідно-окисних гальванічних елементів, і батарей.
27. Алюміній - це легкий, міцний метал, який не піддається корозії, майже ідеальний матеріал для виготовлення вікон. Алюміній є екологічно чистим матеріалом, який не містить важких домішків і не виділяє шкідливих речовин. Але, на жаль, у такого хорошого матеріалу є один недолік - висока теплопровідність, тобто конструкції з алюмінію промерзають наскрізь. І все ж таки з алюмінію роблять вікна двох типів: - "теплі"; - "холодні".
СПЛАВИ Al - Cu. Ці сплави (АЛ7, АЛ19) після термічної обробки мають високі механічні властивості при кімнатній і підвищ темп і добре обробляються різанням. Ливарні властивості сплавів низькі (велика усадка, схильність до утворення гарячих тріщин і т.д.' Сплав АЛ7 використовують для відливання невеликих деталей простої форми (арматура, кронштейни тощо) Сплав схильний до крихкого руйнування внаслідок виділення по границях зерен грубих частинок CuAl 2 і AL 7С u 2 F е.Тому його застосовують у загартованому стані, коли ці сполуки переведені в твердий розчин.
СПЛАВИ Al - Mg. Сплави алюмінію з магнієм мають низькі ливарні властивості, так як не містять евтектики. Їх характернаособливість-хороша корозійна стійкість, підвищені механічні властивості й оброблюваність різанням. Додавання до сплаву 9,5-11,5% Mg модифікуючих присадок (Ti, Zr) покращує механічні властивості, а берилій зменшує окислюваність розплаву, що дозволяє вести плавку без захисних флюсів.
Сплави Ал8 і Ал27 призначені для виливків, що працюють у вологій атмосфері, наприклад, у суднобудуванні й авіації. Структура сплавів складається з α-твердого розчину і грубих включень частинок Al 3 Mg 2, розташованих на межі зерен, охрупчівая сплав. Тому сплави ал8 і ал27 застосовують після гарту при т430град з охолодженням у маслі (40-50град) і витримують при темп загартування в теч 12-20ч, що забезпечує розчинення частинок Al 3 Mg 2 в α-твердому розчині та отримання після гарту однорідного твердого розчину .
28. сплави на основі нікелю. Бувають конструкційні, електротехнічні, з особливими фіз. і хім. властивостями, жароміцні і жаростійкі. Конструкційні відзначаються високими емісійними властивостями, підвищеною мех. міцністю і корозійною стійкістю, піддаються мех. обробці навіть у холодному стані. Такі сплави застосовують в електронній техніці, приладобудуванні тощо. Електротехнічні мають великий питомий електричний опір і високу жаростійкість; при нагріванні — значну електрорушійну силу. З них виготовляють термопари, резистори високоточних вимірювальних приладів, нагрівальні елементи електр. печейтощо. До Н. с. з особливими фіз. і хім. властивостями належать магнітно-м'які, корозійностійкі та інші сплави. Найвищою магнітною проникністю у слабких магнітних полях відзначаються магнітно-м'які Н. с, що містять 79% Ni 16% Fе і 5% Мо. Магнітно-м'які сплави використовують у виробн.осердь малогабаритних трансформаторів і дроселів, магн. екранів і підсилювачів тощо. Корозійностійкі сплави застосовують в хім. апаратобудуванні. З жароміцних (деформівних, ливарних) і жаростійких виготовляють деталі і вузли газових турбін, авіац. Двигунів.
сплави температура плавлення яких вища за 1800 °С. Розрізняють Т. с. на основі тугоплавких металів (гол. чин. вольфраму, молібдену, ніобію і хрому) та на основі тугоплавких сполук (карбідів, оксидів, боридів та ін.). Т. с. жароміцні, корозійностійкі, з високою густиною. Одержують їх плавленням і методами порошкової металургії. Найчастіше застосовують як конструкційні жароміцні сплави в літакобудуванні, ракетній і космічній техніці, атомній енергетиці. Крім того,
Т. с. використовують як тугоплавкі припої, абразивні матеріали, як тверді (див. Тверді сплави) і стійкі проти зношування матеріали тощо. Див. також Вольфраму сплави, Молібдену сплави, Ніобію сплави, Хрому сплави, Танталу сплави.