25. Железоуглеродистые сплавы (стали).

Наиболее широкое применение в современном машиностроении имеют железоуглеродистые сплавы — сталь и чугун.

Сталь — это сплав железа с углеродом; содержание углерода в стали не превышает 2%.

К сталям относятся:

- техническое железо,

- конструкционная сталь

- инструментальная сталь.

Свойства стали зависят от содержания углерода. Чем больше углерода, тем сталь прочнее и тверже.

Кроме железа и углерода, в состав стали входят в том или ином количестве кремний, марганец, сера и фосфор. Эти примеси обычно попадают в сталь в процессе ее выплавки

26. Железоуглеродистые сплавы (чугуны).

Наиболее широкое применение в современном машиностроении имеют железоуглеродистые сплавы — сталь и чугун.

Чугун — сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода превышает 2%. Среднее содержание углерода в чугуне 2,5—3,5%.

Кроме железа и углерода, в сталях и чугунах присутствуют примеси:

- кремний и марганец в десятых долях процента (0,15— 0,60%)

- сера и фосфор в сотых долях процента (0,05—0,03%) каждого элемента.

Машиностроительный чугун применяют для производства отливок всевозможных деталей машин.

По составу и строению чугуны делятся на:

- белый,

- серый,

- ковкий.

Ковкий чугун получается в результате специальной обработки белого чугуна. В белом чугуне весь углерод находится в химически связанном состоянии с железом (Fe3C — цементит), что придает этому чугуну большую твердость и хрупкость и плохую обрабатываемость.

В машиностроении белый чугун применяют для изготовления отливок, отжигаемых на так называемый ковкий чугун.

При отжиге цементит разлагается па железо и свободный углерод, и отливки приобретают невысокую твердость и хорошую обрабатываемость.

Наиболее широкое применение в технике имеет серый чугун, в котором большая часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. Этому способствует высокое содержание кремния.

Такой чугун обладает хорошими литейными качествами и применяется для производства чугунных отливок. Детали из этого чугуна получаются путем отливки в земляные или металлические формы (станины, шестерни, цилиндры, блоки и т.п.). Благодаря наличию свободного углерода (графита) серый чугун имеет небольшую твердость и хорошо обрабатывается резанием.

27. Неорганические материалы.

Твердые, реже жидкие или пастообразные, вещества с функциональными свойствами, зависящими от способа получения.

Различают неорганические материалы металлические, неметаллические и композиционные, которые могут содержать как металлические, так и неметаллические фазы. По структуре неорганические материалы подразделяют на монокристаллические, поликристаллические, аморфные, в т.ч. стеклообразные, а также стеклокристаллические.

По свойствам и областям применения различают неорганические материалы: с особыми электрическими свойствами; с особыми магнитными характеристиками, оптические материалы, с особыми теплофизическими свойствами, огнеупорные материалы, теплоизоляционные материалы, аккумуляторы тепла; коррозионностойкие материалы. Кроме того, выделяют материалы для энергетики – ядерное топливо, аккумуляторы водорода, для термоядерных установок; конструкционные материалы; акустические материалы; для медицинских целей; вяжущие материалы; фрикционные материалы и антифрикционные материалы; абразивные материалы, твердые сплавы для изготовления режущего инструмента и др.

Ко многим неорганическим материалам предъявляются очень высокие требования по чистоте.

Неорганические материалы находят применение в различных областях народного хозяйства и часто определяют уровень развития многих из них. Без неорганических материалов невозможен, например, прогресс областей, связанных с информатикой и электронной вычислительной техникой.

Многие неорганические материалы известны с древних времен и широко применяются в быту, например фарфор, фаянс, бронза, строительные материалы.

В зависимости от требований, предъявляемых к изделиям их подвергают отпуску при различных температурах: Низкий отпуск (150-220⁰), Средний отпуск (300-500⁰), Высокий отпуск (500-680⁰)

Термохимическая обработка стали (ТМО) заключается в накоплении аустенита и последующей его закалке. Структура закаленной стали формируется под влиянием дефектов кристаллической решетки, образовавшихся при накоплении аустенита. Термохимическая обработка: высокотемпературная и низкотемпературная

Поверхностная закалка состоит в быстром нагреве поверхности детали до аустенитного состояния с последующим охлаждением в воде. В результате на поверхности образуется твердая структура мартенсита, а внутри сохраняется феррито-перлитная структура с достаточно высокой вязкостью. После поверхностной закалки делают низкий отпуск, либо оставляют закаленное состояние без отпуска. Поверхностной закалке подвергают среднеуглеродистые стали (0,4-0,45%С), либо легированные для увеличения прочности сердцевины деталей. Быстрый нагрев поверхности осуществляется токами высокими частотами (до 1 млн.гц). Сущность такого нагрева состоит в том, что через медный индуктор пропускают ток высокой частоты. Вокруг индуктора возникает переменное магнитное поле. Закаливаемую деталь помещают в поле индуктора и за счет поверхностного эффекта поверхность детали быстро разогревается. Чем больше частота тока, тем больше поверхностный эффект, меньше время нагрева и меньше глубина закаленного слоя.

31. Свойства сплавов железа с углеродом (чугуны).

Чугуном называется сплав железа с углеродом, содержащий углерода от 2,14 до 6,67%. Свойства чугуна зависят главным образом от содержания в нем углерода и других примесей, неизбежно входящих в его состав: кремния (до 4,3%), марганца (до 2%), серы (до 0,07%) и фосфора (до 1,2%).

Белый чугун очень твердый и хрупкий, плохо поддается отливке, трудно обрабатывается режущим инструментом. Он обычно идет на переплавку в сталь или на получение ковкого чугуна и поэтому называется передельным.

Серый чугун наиболее широко применяется в машиностроении. Он мало пластичен и вязок, но легко обрабатывается резанием, применяется для малоответственных деталей и деталей, работающих на износ. Серый чугун с высоким содержанием фосфора (0,3—1,2%) жидкотекуч и используется для художественного литья.

В зависимости от химического состава и назначения чугуны подразделяют на легированные, специальные, или ферросплавы, ковкие и высокопрочные чугуны.

Легированный чугун наряду с обычными примесями содержит элементы: хром, никель, титан и др. Эти элементы улучшают твердость, прочность, износостойкость. Различают хромистые, титановые, никелевые чугуны.

Ковкий чугун получают термообработкой из белого чугуна. Он получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости. Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару.

Высокопрочный чугун получают введением в жидкий серый чугун специальных добавок. Он применяется для изготовления более ответственных изделий, заменяя сталь (коленчатых валов, поршней, шестерен и др.).

29. Основы теории термической обработки сталей.

Термическая обработка состоит в изменении структуры металлов и сплавов путем нагревания их и последующего охлаждения с той или иной скоростью; при этом достигаются существенные изменения свойств при том же химическом составе сплава.

Термическая обработка стали и чугуна основана на явлениях вторичной кристаллизации применительно к линиям GOS, SE и РК.

При медленном охлаждении эвтектоидной стали по линии РК произойдет полное распадение аустенита с образованием перлита.

Распадение состоит из следующих этапов:

1) превращение g-железа в a-железо, т.е. перегруппировка атомов из решетки гранецентрированного куба g-железа в решетку центрированного куба a-железа с одновременным смещением атомов углерода, находящихся в твердом растворе g-железа;

2) выделение из твердого раствора (аустенита) мельчайших частиц цементита (Fe3C);

3) укрупнение частиц цементита в пластинки, размеры которых измеряются от малых долей микрона до нескольких микронов, и более или менее полное распадение аустенита.

При ускорении охлаждения до 50 град/сек распадение аустенита не успевает закончиться. Такая структура называется сорбитом.

При ускорении охлаждения до 100 град/сек полностью успевает завершиться лишь второй этап распадения аустенита, а третий этап останавливается в самом начале.

Структура перлита, получающаяся при медленном охлаждении сплавов, называется равновесной, как и другие структуры.

Увеличение скорости охлаждения вызывает понижение критических точек.

При медленном охлаждении переохлаждение невелико и структура стали остается перлитной. Пластинки цементита в перлите тем меньше, чем больше скорость охлаждения, и при дальнейшем ускорении охлаждения структура все больше приближается к сорбиту.

28. Композиционные материалы на высокомолекулярной матрице.

Композиционный материал — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. Наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала.

Композиционные материалы на полимерной матрице (КПМ) содержат полимерное связующее (матрицу), которое объединяет все компоненты материала в единую структуру и обуславливает их совместную работу в составе КПМ.

Преимущества композиционных материалов:

- высокая удельная прочность

- высокая жёсткость

- высокая износостойкость

- высокая усталостная прочность

- легкость

Недостатки композиционных материалов:

- высокая стоимость

- анизотропия свойств

- повышенная наукоёмкость, необходимость специального оборудования и сырья.

32. Углеродистые стали. Влияние примесей на свойства сталей.

Углеродистые стали имеют сложный химический состав. Кроме основных компонентов — железа (97—99,5%) и углерода — они содержат примеси никеля, хрома, кремния, марганца, серы, фосфора, кислорода, азота, водорода или других элементов. Углеродистыми являются стали, которые содержат мало примесей, но достаточно — углерода. Углерод и примеси оказывают непосредственное влияние на структуру и свойства стали.

Углерод в стали находится в виде химического соединения-Fe3C (цементита), а также в виде твердого раствора — углерода FeαC (феррита).

С увеличением содержания углерода твердость и прочность стали увеличиваются, а пластичность и ударная вязкость понижаются.

В углеродистых сталях обычно содержится 0,10—0,35% Si и 0,3—0,8% Mn. Их присутствие благоприятно сказывается на качестве стали: с увеличением их процентного содержания увеличиваются упругие свойства стали, сопротивление коррозии, твердость, а также улучшаются магнитные свойства.

Фосфор и сера являются неизбежными вредными примесями. Сера находится в стали в виде соединения FeS. Присутствие серы способствует красноломкости стали, т. е. способности к образованию трещин при высоких температурах, понижению сопротивления усталости, уменьшению сопротивления коррозии.

Фосфор находится в стали в виде соединения Fe3P. Кристаллы этого химического соединения обычно располагаются по границам зерен стали, ослабляя связь между ними и, тем самым, придавая стали хрупкость в холодном состоянии (хладноломкость).

30. Технология термообработки сталей.

Режим термической обработки включает в себя следующие составляющие: скорость нагрева, температуру нагрева, продолжительность выдержки, скорость охлаждения. Скорость нагрева выбирается в зависимости от теплопроводности стали (химического состава) и формы детали. Если теплопроводность стали высокая, то и скорость нагрева может быть больше. При этом следует иметь в виду, что у большинства легированных сталей теплопроводность ниже, чем у углеродистых, и быстрый нагрев может привести в них к возникновению напряжений и трещин.

Отжиг стали - называют вид термической обработки состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и медленном охлаждении.

Различают несколько видов отжига: Полный отжиг, Неполный отжиг, Изотермический отжиг, Отжиг на зернистый перлит, Отжиг рекристаллизационный

Отжиг проводят по одному из следующих режимов:

1. Нагрев на 20-30⁰ выше, выдержка 3-5 часов, медленное охлаждение

2. Нагрев до тех же температур с небольшой выдержкой, охлаждение до 600⁰, снова нагрев до 740-750⁰ и снова охлаждение до 600⁰. Такие циклы нагрева и подстуживания повторяют 2-4 раза, т.е. проводят как бы покачивание температуры стали.

Закалка - вид термической обработки состоящий в нагреве стали до определенных температур, выдержке и быстром охлаждении, со скоростью более верхней критической.Цель закалки - повысить твердость, прочность, износоустойчивость.

способов закалки: Закалка в одном охладителе (воде или масле), Закалка в двух охладителях (через воду в масло), Ступенчатая закалка, Изотермическая закалка

Отпуск - вид термической обработки состоящий в нагреве закаленной стали, выдержке и охлаждении в воде или на воздухе.Отпуску подвергают все закаленные стали с целью уменьшения внутренних напряжений, повышения ударной вязкости при некотором.