Page 1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»
В.П. Перминов, В.А. Неронов
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ
Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром
высшего профессионального образования (СибРУМЦ)
для межвузовского использования в качестве учебного пособия
для студентов, обучающихся по направлению
280101 – Безопасность жизнедеятельности
Новосибирск
СГГА
2008
Page 2
УДК 669.017
ББК 30.3
П275
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор
Новосибирского государственного технического университета
А.А. Батаев
Доктор технических наук, главный научный сотрудник
Института теплофизики СО РАН
А.Б. Каплун
Кандидат технических наук, профессор
Сибирской государственной геодезической академии
А.Н. Соснов
Перминов, В.П.
П275 Материаловедение и технология материалов [Текст] : учеб. пособие
для вузов / В.П. Перминов, В.А. Неронов. – Новосибирск: СГГА, 2008. – 173 с.
ISBN 978-5-87693-287-7
Книга является учебным пособием для студентов специальности 280101 «Безопасность
жизнедеятельности в техносфере» и рекомендуется для использования в процессе изучения
учебной дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов»
студентами специальностей: 200107 «Технология приборостроения», 200200 «Оптотехника»,
200203 «Оптико-электронные приборы и системы», 200501 «Метрология и метрологическое
обеспечение», 170101 «Испытание и эксплуатация техники». Может быть полезна
начинающим инженерам и научным работникам, специализирующимся в области
материаловедения и технологии материалов.
В настоящем пособии изложены вопросы атомно-кристаллического строения и
кристаллизации, пластической деформации и механические свойства металлов; рассмотрены
диаграммы состояния системы «железо – углерод», теория и технология термической и
химико-термической обработки; приведены сведения о жаропрочных, износостойких,
инструментальных, конструкционных и электротехнических сталях и других сплавах,
резинах и пластмассах; даны теоретические и технологические основы производства
металлов, основы порошковой металлургии, теории и практики получения и
формообразования заготовок, изготовления полуфабрикатов и деталей из композиционных
материалов, а также резины, электрофизические и электрохимические способы обработки.
Ответственный редактор:
доктор технических наук, профессор
Сибирской государственной геодезической академии
И.Г. Вовк
© ГОУ ВПО «Сибирская государственная
ISBN 978-5-87693-287-7 геодезическая академия» (СГГА), 2008
Page 3
СОДЕРЖАНИЕ
От авторов ............................................................................................................ 7
Часть i материаловедение ................................................................................. 11
Глава 1. Строение металлов ....................................................................... 11
1.1. Атомно-кристаллическое строение металлов .................................. 11
1.2. Дефекты в реальных кристаллах ....................................................... 13
1.3. Диффузионные процессы в металле ................................................. 18
Глава 2. Формирование структуры металлов и сплавов при
кристаллизации ......................................................................................... 20
2.1. Кристаллизация металлов .................................................................. 20
2.2. Гомогенное образование зародышей ................................................. 22
2.3. Гетерогенное образование зародышей .............................................. 25
2.4. Кристаллизация сплавов ..................................................................... 26
2.5. Строение металлического слитка ...................................................... 26
2.6. Высокоскоростная кристаллизация металлов .................................. 30
2.7. Полиморфные превращения ............................................................... 30
Глава 3. Механические свойства металлов и сплавов ............................. 32
3.1. Общие сведения о свойствах .............................................................. 32
3.2. Механические свойства ...................................................................... 32
3.2.1. Испытание на растяжение ............................................................ 33
3.2.2. Твѐрдость металлов ...................................................................... 36
3.2.3. Ударная вязкость ........................................................................... 38
3.2.4. Усталость металлов ....................................................................... 40
3.3. Влияние температуры на прочностные и пластические свойства
металлов. Ползучесть, длительная прочность ................................. 40
3.4. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного
металла ................................................................................................. 42
3.5. Деформация и разрушение металлов ................................................ 44
Глава 4. Взаимоотношения компонентов в двойных сплавах ................. 46
Глава 5. Диаграммы состояния и структуры двойных сплавов .............. 50
5.1. Диаграмма состояния системы, в которой компоненты образуют
непрерывный ряд твѐрдых растворов ............................................... 51
5.2. Диаграмма состояния эвтектического типа ...................................... 54
5.3. Диаграмма состояния перитектического типа ................................. 58
5.4. Диаграммы состояния систем, в которых компоненты образуют
химические соединения ..................................................................... 60
5.5. Диаграммы «состав – свойство» ........................................................ 62
Глава 6. Диаграммы состояния системы «железо – углерод» ................. 64
Глава 7. Теория термической обработки стали ........................................ 71
7.1. Превращения в стали при нагреве ..................................................... 71
7.2. Изотермический распад аустенита .................................................... 72
7.2.1. Перлитное превращение ............................................................... 73
7.2.2. Мартенситное превращение ........................................................ 75
7.2.3. Бейнитное превращение ............................................................... 76
Page 4
7.3. Распад аустенита при непрерывном охлаждении ............................ 77
7.4. Превращения в закалѐнной стали при нагреве (отпуск стали) ....... 78
Глава 8. Технология термической обработки стали ................................. 81
8.1. Отжиг стали ......................................................................................... 81
8.2. Нормализация стали ............................................................................ 83
8.3. Закалка стали ....................................................................................... 84
8.4. Отпуск закалѐнной стали .................................................................... 86
Глава 9. Химико-термическая обработка .................................................. 87
9.1. Цементация .......................................................................................... 87
9.2. Азотирование (нитрирование) ........................................................... 88
9.3. Одновременное насыщение стали углеродом и азотом
(нитроцементация) .............................................................................. 90
9.4. Алитирование ...................................................................................... 91
9.5. Борирование ......................................................................................... 92
Глава 10. Металлические конструкционные материалы ........................... 94
10.1. Конструкционные стали ..................................................................... 94
10.2. Конструкционные сплавы на основе алюминия, титана, магния,
меди, никеля и цинка ........................................................................ 100
10.3. Конструкционные порошковые материалы .................................... 106
Глава 11. Инструментальные стали ........................................................... 108
11.1. Углеродистые и легированные стали для режущего инструмента
............................................................................................................. 109
11.2. Стали для измерительного инструмента ......................................... 111
11.3. Штамповые стали .............................................................................. 111
Глава 12. Электротехнические материалы ................................................ 113
12.1. Электротехнические стали ............................................................... 113
12.2. Сплавы с высоким электросопротивлением ................................... 114
Глава 13. Неметаллические материалы ..................................................... 115
13.1. Резины ................................................................................................ 115
13.2. Пластические массы .......................................................................... 116
Часть II. Основы производства материалов .................................................. 118
Глава 14. Теоретические основы производства металлов ....................... 118
Глава 15. Технологические основы металлургического производства .. 123
15.1. Металлургия чугуна .......................................................................... 123
15.2. Металлургия стали ............................................................................ 124
15.3. Металлургия цветных металлов ...................................................... 127
15.3.1. Производство меди ..................................................................... 127
15.3.2. Производство алюминия ............................................................ 128
15.3.3. Производство магния .................................................................. 128
15.3.4. Производство титана .................................................................. 129
Глава 16. Основы порошковой металлургии. Напыление материалов .. 131
16.1. Основы порошковой металлургии ................................................... 131
16.2. Напыление материалов ..................................................................... 131
Часть III. Теория и практика формообразования заготовок ........................ 133
Глава 17. Производство заготовок способом литья ................................. 133
Page 5
17.1. Технологические основы литейного производства ....................... 133
17.1.1. Технологические особенности литья в песчаные формы ....... 133
17.1.2. Изготовление песчаных форм .................................................... 133
17.1.3. Заливка форм, охлаждение, выбивка и очистка отливок ........ 134
17.1.4. Специальные способы литья ..................................................... 136
17.1.5. Литьѐ в оболочковые формы ...................................................... 136
17.1.6. Литьѐ по выплавляемым моделям ............................................. 137
17.1.7. Кокильное литьѐ .......................................................................... 139
17.1.8. Литьѐ с применением внешних воздействий на жидкий и
кристаллизующийся металл ...................................................... 140
17.2. Сравнительная оценка способов литья ........................................... 148
Глава 18. Производство заготовок пластическим деформированием .... 150
18.1. Общие сведения ................................................................................. 150
18.2. Получение машиностроительных профилей .................................. 153
18.2.1. Прокатное производство ............................................................ 153
18.2.2. Волочение .................................................................................... 157
18.2.3. Прессование ................................................................................. 158
18.2.4. Гидроэкструзия ............................................................................ 159
18.2.5. Свободная ковка .......................................................................... 160
18.2.6. Горячая объѐмная штамповка .................................................... 161
18.2.7. Холодная объѐмная штамповка ................................................. 162
18.2.8. Листовая штамповка ................................................................... 163
Глава 19. производство неразъѐмных соединений ................................... 166
19.1. Сварочное производство ................................................................... 166
19.1.1. Термические виды сварки .......................................................... 167
19.1.2. Термомеханические виды сварки .............................................. 169
19.1.3. Механические виды сварки ....................................................... 170
19.2. Пайка материалов .............................................................................. 171
19.3. Получение неразъѐмных соединений склеиванием ....................... 172
Глава 20. Изготовление полуфабрикатов и деталей из композиционных
материалов ............................................................................................... 173
20.1. Физико-технологические основы получения композиционных
материалов ......................................................................................... 173
20.1.1. Изготовление полуфабрикатов и изделий из металлических
композиционных материалов (МКМ) ....................................... 174
20.1.2. Особенности получения деталей из композиционных
порошковых материалов ............................................................ 175
20.1.3. Изготовление полуфабрикатов и деталей из эвтектических
композиционных материалов (ЭКМ) ........................................ 175
20.1.4. Изготовление деталей из полимерных композиционных
материалов (ПКМ) ...................................................................... 176
Глава 21. Изготовление резиновых деталей и полуфабрикатов ............. 178
Глава 22. Формообразование поверхностей деталей резанием .............. 179
22.1. Кинематические и геометрические параметры процесса резания
............................................................................................................. 179
Page 6
22.2. Физико-химические основы резания .............................................. 181
22.3. Обработка лезвийным и абразивным инструментами .................. 182
22.4. Условие непрерывности и самозатачиваемости ............................. 183
Глава 23. Формообразование поверхностей деталей электрофизическими
и электрохимическими способами ........................................................ 185
Библиографический список ........................................................................... 190
Page 7
Светлой памяти нашего незабвенного учителя Григория Валентиновича Самсонова посвящаем
ОТ АВТОРОВ
История человечества неразрывно связана с разработкой и освоением
новых материалов. Вспомним: костяной век, каменный, бронзовый, железный…
Основами научно-технического прогресса являются энергетика,
автоматизация и материалы, причѐм в этой триаде материалы занимают особое
место, так как от уровня их разработки зависит развитие и энергетики и
автоматизации. С разработкой материалов неразрывно связаны вопросы
экологии.
Современная наука и техника не могли бы существовать, если бы
человечество не располагало самыми разнообразными материалами: то
сверхтвѐрдыми, то очень пластичными, то высокотемпературными, то с низкой
температурой плавления, то удивительно химически стойкими, то легко
поддающимися действию различных реагентов и т. п. Высокотемпературные
сверхпроводники, радиационностойкие, жаростойкие, жаропрочные,
высокоизносостойкие и другие материалы с ценными свойствами активно
вторгаются в нашу жизнь.
Материаловедение – наука, изучающая связь между составом, структурой и
свойствами материалов. Материаловедение явилось естественным
продолжением металловедения, развитие которого неразрывно связано с
работами гениального русского учѐного Михаила Васильевича Ломоносова
(1711–1765). Определяя металл как «светлое тело, которое ковать можно», он
подчеркнул высокую отражательную способность металлических тел и их
высокую пластичность. Кроме того, М.В. Ломоносов подметил
кристалличность самородных меди и золота. Понятие о кристалличности
твѐрдых металлов легло в основу современной научной трактовки ряда
характеристик металлов.
Основоположниками современного металловедения явились наши
соотечественники – заводские инженеры Павел Петрович Аносов (1799–1851)
и Дмитрий Константинович Чернов (1839–1921).
Работы П.П. Аносова по производству стали приобрели всемирную
известность. Наряду с такими выдающимися открытиями и технически
ценными разработками, как новый способ закалки в «сгущѐнном» (т. е. сжатом)
воздухе, приготовление литой стали и другими методами, им впервые в мире
была применена газовая цементация металла, которая в настоящее время нашла
широкое распространение. В 1831 г. П.П. Аносов первым в мире применил
обычный микроскоп для изучения строения стали на полированных и
травлѐных шлифах, положив тем самым начало микроскопическому анализу
металлов. Лишь в 1863 г. этот же метод исследования был применѐн
английским учѐным Сорби. Российский учѐный-инженер первым раскрыл
тайну булата. Благодаря своим беспримерным свойствам, булатная сталь
Page 8
Аносова прославила Россию на весь мир. В результате исследований П.П.
Аносов установил влияние строения стали на ее свойства.
Заслуга Д.К. Чернова состоит в преобразовании металловедения из чисто
описательного направления в науку, указывающую пути изменения структуры и
свойств металлов в зависимости от условий их кристаллизации, механической и
термической обработки.
В 1868 г. на заседании Императорского русского технического общества
Д.К. Черновым было сделано сообщение об открытии, значение которого
невозможно переоценить. Невооружѐнным глазом, не имея прибора для
определения температуры раскалѐнной стали, он установил, что при еѐ
охлаждении в тот момент, когда цвет становится уже тѐмно-красным, в стали
происходит какое-то превращение, в результате которого цвет становится вновь
ярче и светлее. Д.К. Чернов связал обнаруженные им изменения цвета с
изменением внутреннего строения стали.
Д.К. Черновым было введено понятие о критических точках – тех
температурах, при которых в сплавах происходят внутренние превращения. Он
показал, что с изменением содержания главной примеси к железу – углерода –
положение критических точек изменяется. Построив температурную
зависимость положения этих точек от содержания углерода, Д.К. Чернов, по
существу, предложил диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов
в еѐ части, относящейся к сталям, что послужило теоретическим фундаментом
для создания науки о металлах.
В 1878 г. Д.К. Чернов опубликовал работу, посвящѐнную кристаллизации
металлов и строению слитка, где с исключительной прозорливостью указал
перспективность таких развивавшихся в 20-м столетии новейших методов
литья, как литьѐ с направленной кристаллизацией, центробежное литьѐ, литьѐ с
кристаллизацией под давлением.
Заслуги Д.К. Чернова в развитии науки о металлах настолько велики и
бесспорны, что даже иностранцы, не всегда признававшие приоритет русской
науки, не могли отрицать их значение. В 1900 г. на открытии Всемирной
выставки в Париже, собравшей крупнейших металлургов того времени,
председательствовавший на собрании французский металлург Монгольфье
заявил: «Считаю своим долгом открыто и публично заявить в присутствии
стольких знатоков и специалистов, что наши заводы и все сталелитейное дело
обязаны настоящим своим развитием и успехом в значительной степени трудам
и исследованиям русского инженера Чернова и приглашаю Вас выразить ему
нашу признательность и благодарность от имени всей металлургической
промышленности».
В 1903 г. известный американский металлург Х. Гоу, весьма критически
относившийся к разного рода достижениям, свой первый в мире большой труд по
металловедению «Железо, сталь и другие сплавы» посвятил Д.К. Чернову, назвав
его «отцом металлографии железа».
Развитие металловедения неразрывно связано с работами русских
академиков Николая Семѐновича Курнакова (1860–1941), Александра
Александровича Байкова (1870–1946) и их школ, английских учѐных Г.К. Сорби
Page 9
и Робертс-Аустена, французских учѐных Осмонда и Ле-Шателье, немецкого
учѐного Таммана и др.
Открытие Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834–1907)
периодической системы химических элементов в 1869 г. сыграло решающую
роль в обеспечении научной физико-химической базы не только
металловедения, но и материаловедения в целом.
Бурное развитие в 20-м столетии металловедения привело к тому, что уже в
50–60-х гг. из металлов было «выжато» практически всѐ. Потребности
промышленности требовали создания материалов, способных
эксплуатироваться в условиях высоких температур, скоростей и напряжений,
агрессивных сред. Науке и технике требуются современные жаропрочные,
коррозионностойкие, сверхтвердые, высокоизносостойкие, сверхпроводящие,
диэлектрические, полупроводниковые и другие материалы. Поэтому
металловедение как бы уступает место материаловедению. Создаются кафедры,
лаборатории, отделы, институты и департаменты, где занимаются не
узкоотраслевыми проблемами, а разрабатываются принципы формирования
материалов с заданными свойствами. Металловедческие журналы
переименовываются в материаловедческие, создаются новые журналы по
материалам. Статус материаловедения возрастает: наука о материалах
становится в одном ряду с физикой, химией, биологией и другими
естественными науками.
Особенно велика роль в создании науки о материалах члена-
корреспондента АН УССР Григория Валентиновича Самсонова. За короткую
жизнь (1918–1975), промелькнувшую как очень яркий метеор, он сделал
столько, сколько редко кому удавалось. Он выполнил фундаментальные
исследования, вскрывающие физико-химические основы образования
практически всех классов тугоплавких соединений: боридов, карбидов,
нитридов, силицидов, фосфидов, алюминидов, антимонидов и др. Им были
проведены глубокие исследования в области химической связи и электронного
строения тугоплавких соединений с использованием квантово-химических
расчетов, в области теории и технологии порошковой металлургии. Эти
исследования, отражающие принципы формирования материалов с заданными
свойствами, явились основой для разработки промышленных технологий
получения около пятисот соединений, которые коллеги в честь их создателя
назвали «самсонидами». Свыше сорока монографий и справочников написано
Г.В. Самсоновым лично или в соавторстве. Среди его учеников – более ста
семидесяти кандидатов и около двадцати докторов наук, в том числе авторы
настоящей книги.
Авторы предлагаемого учебного пособия принадлежат к школе Г.В.
Самсонова. Они являются специалистами в области синтеза неорганических
материалов, авторами ряда монографий по тугоплавким и интерметаллическим
соединениям.
Учебное пособие соответствует учебной программе курса
«Материаловедение и технология материалов», который читается в Сибирской
государственной геодезической академии студентам, обучающимся по
Page 10
специальности 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», и
рекомендуется для использования в процессе изучения учебной дисциплины
«Материаловедение и технология конструкционных материалов» студентами
специальностей: 200107 – Технология приборостроения, 200200 – Оптотехника,
200203 – Оптико-электронные приборы и системы, 200501 – Метрология и
метрологическое обеспечение, 170101 – Испытание и эксплуатация техники
(электроника).
Пособие написано на основе как «старых», но не устаревших по своему
духу и ставших классическими, учебников, так и вышедших в последние годы,
а также с учѐтом новой научной литературы, собственного научно-
исследовательского, педагогического и производственного опыта авторов.
При подготовке издания большую помощь оказала кафедра
материаловедения в машиностроении Новосибирского государственного
технического университета, за что авторы считают своим приятным долгом
выразить искреннюю благодарность еѐ коллективу (зав. кафедрой доктор
технических наук, профессор А.А. Батаев).
Выражаем признательность рецензенту, доктору технических наук А.Б.
Каплуну, а также старшему преподавателю кафедры технологии оптического
производства СГГА Т.В. Лариной за полезные советы, заведующему кафедрой
БЖД СГГА профессору В.И. Татаренко за помощь в издании пособия.
Авторы благодарны А.В. Перминову за финансовую поддержку издания и
адресуют свою признательность студентам, с помощью которых они учились
как писать более совершенные книги.
Мы будем благодарны за все критические замечания и пожелания в адрес
настоящего издания.
Page 11
ЧАСТЬ I МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
1.1. Атомно-кристаллическое строение металлов
Все металлы и металлические сплавы, полученные обычными способами,
представляют собой поликристаллические тела, состоящие из различно
ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. Эти кристаллы,
вследствие взаимного столкновения в процессе кристаллизации, имеют
неправильную форму и называются кристаллитами, или зѐрнами. На
кристалличность металлов – самородных меди и золота – и сходство их
кристаллов с кристаллами солей обратил внимание в шестидесятых годах 18-го
столетия гениальный русский учѐный М.В. Ломоносов. Понятие о
кристалличности металлов и сплавов легло в основу современного научного
объяснения их прочностных и пластических свойств. Атомы (ионы) в
кристаллах расположены закономерно.
При особых условиях металлы и сплавы могут быть получены в аморфном
состоянии. Атомы в аморфных телах расположены хаотично.
В дальнейшем, вместо выражения «металлы и сплавы», в тексте возможно
использование термина «металлы», что соответствует принятой терминологии.
Попутно отметим, что все металлы и сплавы условно подразделяют на две
группы. Железо и сплавы на его основе, т. е. сталь и чугун, называют чѐрными
металлами, а остальные металлы и их сплавы – цветными.
Атомы в кристалле, располагаясь в определѐнном порядке, образуют
кристаллическую решѐтку. Эта решѐтка представляет собою воображаемую
пространственную сетку, в узлах которой находятся положительно заряженные
ионы, а между ними – свободные электроны, получившие название
электронного газа.
Расположение атомов в кристалле обычно изображают в виде
пространственных так называемых элементарных кристаллических ячеек,
перемещением которых можно воспроизвести пространственную
кристаллическую решѐтку. Для металлов наиболее распространены три типа
кристаллических решѐток:
объѐмно-центрированная кубическая (ОЦК) – атомы расположены в
вершинах и центре куба. Эта решѐтка характерна для альфа-железа, альфа-
хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и других металлов;
гранецентрированная кубическая (ГЦК) – атомы расположены в
вершинах куба и в центре каждой грани. Эту упаковку имеют металлы: гамма-
железо, альфа-никель, медь, алюминий, свинец и др.;
гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – атомы расположены в углах
и центре шестигранных оснований призмы, и три атома расположены в средней
плоскости призмы. Эту решѐтку имеют магний, цинк, кадмий, альфа-цирконий
и другие металлы.
Расстояния между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке
называются периодами решѐтки.
Page 12
В ОЦК-рѐшетке каждый атом в вершине куба одновременно принадлежит
восьми элементарным ячейкам. Следовательно, на одну элементарную ячейку
ОЦК-решѐтки приходится два атома: из них один атом находится в центре куба,
а один вносят атомы, расположенные в вершинах куба. Аналогичным образом
можно показать, что на одну элементарную ячейку ГЦК-решѐтки приходится
четыре атома, а на одну ячейку ГПУ-решѐтки – шесть атомов.
Важной характеристикой кристаллической решѐтки является еѐ плотность,
т. е. объѐм, занятый атомами. Атомы при этом рассматриваются как жѐсткие
шары. Плотность характеризуется
координационным числом – числом
атомов, находящихся на равном и
наименьшем расстоянии от одного, так
называемого базисного атома.
На рис. 1 приведена схема
кубической объѐмно-центрированной
решѐтки, где за базисный атом ○ взят
атом, расположенный в центре куба.
Наименьшее расстояние между
атомами составляет 3 / 2a , где а –
период решѐтки.
Видно, что на равном и
ближайшем расстоянии от него
находится 8 атомов,
расположенных в вершинах куба.
Таким образом, координационное
число для этой решѐтки 8
(обозначается К8), а коэффициент
заполнения, т. е. отношение
объѐма, занятого атомами, к
объѐму ячейки, составит 68 %.
Чем больше
координационное число
решѐтки, тем выше плотность
упаковки атомов. Для
гранецентрированной
кубической и гексагональной
плотноупакованной решѐток
координационное число 12
(принятое обозначение
соответственно К12 и Г12). Эти
решѐтки являются наиболее
компактными. Коэффициент
заполнения в них составляет 74 %.
В специальной литературе рассматриваются такие вопросы, как
кристаллографические обозначения атомных плоскостей кристаллов и индексы
Рис. 1. Схема, демонстрирующая число
атомов, находящихся на равном и наименьшем
расстоянии d в объѐмно-центрированной
кубической решѐтке
Рис. 2. Схема, поясняющая различную плотность
атомов в двух плоскостях ОЦК решѐтки:
а) в плоскости куба; б) в плоскости,
проходящей через элементарную ячейку
а) б)
Page 13
направлений, что необходимо, например, при объяснении такого характерного
для металлических кристаллов свойства, как анизотропия – неодинаковость
многих свойств – физических, химических, механических – по разным
кристаллографическим направлениям. Связано это с тем, что различные
плоскости заполнены атомами с различной плотностью. В качестве примера
рассмотрим две плоскости в объѐмно-центрированной кубической решѐтке:
плоскость куба и плоскость, проходящую через элементарную ячейку (рис. 2).
Четыре атома, расположенные в вершинах квадрата, вносят в плоскость
куба один атом, поскольку каждый из этих атомов в совокупности с соседними
ячейками принадлежит четырѐм плоскостям. Следовательно, плотность атомов
в плоскости куба составит 1/a2 (а – период решѐтки). Плотность атомов в
плоскости, проходящей через элементарную ячейку, как нетрудно показать,
составит 22 a , т. е. в 2 раз будет больше.
Анизотропия особенно важна в технике, где используются монокристаллы.
Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят из множества различно
ориентированных по отношению друг к другу кристаллитов. Поэтому свойства
литого металла во всех направлениях более или менее одинаковы. Это явление
получило название квазиизотропности, т. е. кажущейся одинаковости.
1.2. Дефекты в реальных кристаллах
Дефекты в кристаллах, или структурные дефекты, – это нарушения
периодичности пространственного расположения атомов (ионов) в
кристаллическом теле. Различают четыре типа дефектов:
точечные, имеющие малые, не превышающие нескольких атомных
диаметров размеры в трѐх измерениях;
линейные, имеющие малые размеры в двух измерениях и значительную
протяжѐнность в третьем;
поверхностные, протяжѐнные в двух направлениях и малые в третьем;
объѐмные, имеющие значительные размеры во всех трех направлениях.
К точечным дефектам относят:
вакансии – узлы в кристаллической решѐтке, свободные от атомов;
межузельные атомы – атомы, находящиеся вне узлов кристаллической
решѐтки;
примесные атомы, которые могут находиться как в междоузлиях (атом
внедрения), так и в узлах кристаллической решѐтки (атом замещения).
К точечным дефектам относятся также некоторые комбинации:
бивакансии, комплексы и т. п. Появление вакансий связано с присутствием в
кристалле атомов с кинетической энергией, значительно превышающей
среднюю, свойственную данной температуре. При перемещении атома
кристалла из нормального положения в узле в какое-либо из междоузлий
возникает пара «вакансия – межузельный атом», которая называется дефектом
Френкеля. Если же под действием тепловых флуктуаций атом из своего узла
выходит на поверхность (он может даже испариться), образующийся дефект-
вакансия называется дефектом Шотки (W. Schottky).
Page 14
Место образовавшихся вакансий займут атомы, удалѐнные от поверхности,
а вакансия будет перемещаться в глубь кристалла. Таким образом, источниками
вакансий, получивших название тепловых, являются границы зѐрен, трещины и
другие пустоты. Схема
образования вакансий
представлена на рис. 3.
Заштрихованные
квадратики – атомы.
Точечные дефекты,
в отличие от других
дефектов, являются
термодинамически
равновесными, т. е. каждой температуре кристалла соответствует определенная
концентрация тепловых вакансий и межузельных атомов. Энергия образования
межузельного атома значительно превышает энергию образования вакансии,
так как межузельный атом вызывает большие искажения, чем вакансия.
Поэтому концентрация межузельных атомов по сравнению с
концентрацией вакансий невелика. За счѐт облучения высокоэнергетическими
элементарными частицами, быстрого охлаждения с высокой температуры,
пластической деформации можно достичь концентрации точечных дефектов
гораздо выше равновесной. Точечные дефекты оказывают влияние на
электрические, магнитные и другие свойства металлов и сплавов.
К наиболее важным видам линейных дефектов относятся дислокации (от
лат. dis – раз + location – смещение, перемещение). Их простейшими видами
являются краевая и винтовая дислокации.
Краевую дислокацию удобно представить следующим образом.
Рассмотрим кристалл как толстую книгу, в которой атомные плоскости
моделируются листами бумаги. Затем вложим еще один лист размером в
половину страницы. Идеальный порядок – параллельность атомных
плоскостей-листов на всѐм протяжении – нарушится, поскольку вложенная
плоскость обрывается внутри книги – кристалла (в реальных кристаллах
атомные плоскости часто обрываются). Так возникает краевая дислокация, осью
или линией которой является край «лишней» полуплоскости, получившей
название экстраплоскости. Далее представим себе плоскость,
перпендикулярную листам бумаги и проходящую через край экстраплоскости.
По обе стороны от этой плоскости, называемой плоскостью скольжения, между
всеми атомами налажено взаимодействие – они как бы «вцепились» друг в
друга, а атом на краю экстраплоскости одинок: у него нет атома напротив.
Описанная картина с книгой представлена на рис. 4, где светлыми кружочками
обозначены атомы, Р – вектор сдвига.
Рис. 3. Схема образования вакансий
и их растворения в кристалле
Page 15
Одновременно на этом рисунке
показано, что краевая дислокация
может быть получена в результате
неполного сдвига верхней части
кристалла относительно нижней на
один период кристаллической
решѐтки. При этом направление
сдвига перпендикулярно оси
дислокации.
Видны: след «лишней»
полуплоскости, проходящей через ось
Y перпендикулярно плоскости
рисунка, и след плоскости
скольжения Х, проходящей также
перпендикулярно плоскости рисунка.
Видно нарушение расположения
атомов и нарушение параллельности атомных плоскостей. Затушѐванная
область, вытянутая вдоль оси дислокации, называется ядром дислокации.
На рис. 4 атомы ядра дислокации расположены по контуру затушѐванного
пятиугольника. В реальных кристаллах поперечные размеры области
нерегулярного расположения атомов на линии дислокации составляют
несколько межатомных расстояний. Понятно, что выше линии дислокации
решѐтка сжата, а ниже – растянута. Если экстраплоскость расположена в
верхней части кристалла, как показано на рис. 4, дислокацию называют
положительной и обозначают знаком ; если в нижней (для чего достаточно
перевернуть кристалл) – отрицательной и обозначают знаком . Указанное
различие чисто условное и используется при анализе взаимодействия
дислокаций. Дислокации противоположных знаков притягиваются, а одного –
отталкиваются.
Винтовую дислокацию представить
более сложно. Она может быть получена
при сдвиге на период решѐтки одной части
кристалла относительно другой вдоль
некоторой полуплоскости (эта
полуплоскость проходит через
затушѐванную часть кристалла на рис. 5).
Край этой полуплоскости – прямая EF,
точнее, та часть этой прямой, которая
пронизывает кристалл, называется осью,
или линией дислокации. Она отделяет ту
часть плоскости скольжения, где сдвиг уже
произошел, от той части, где сдвиг еще не
происходил. Следовательно, направление
сдвига, порождающего винтовую
дислокацию, параллельно еѐ оси. При
Рис. 4. Схема краевой дислокации
Рис. 5. Схема винтовой дислокации
Page 16
дальнейшем действии сил ось дислокации продолжит смещение к задней стенке
кристалла до линии Е'F' и т. д.
Важно обратить внимание на то обстоятельство, что на рис. 5 атомы
представлены в виде деформированных кубов. На этом акцентируется внимание
не во всех изданиях, и некоторые читатели полагают, что атомы расположены в
местах пересечения линий. Вследствие этого возникает недопонимание. Теперь,
если текущее положение линии дислокации будем обходить вокруг, начиная с
левой, более «высокой» части кристалла, т. е. двигаться по часовой стрелке, то
опустимся по винтовой «лестнице» вниз, переходя с одного «кристаллического
этажа» на другой. Получается, что атомные плоскости, закручиваясь вокруг
линии дислокации, смыкаются в одну винтовую поверхность. Отсюда и
название дислокации. Вокруг неѐ формируются геометрические и
энергетические искажения в кристаллической решѐтке. Дислокацию,
образованную вращением по часовой стрелке, называют правой, а в
противоположном направлении – левой.
На рис. 6 схематически показано
расположение атомов в двух атомных
плоскостях, расположенных по одну и другую
стороны от плоскости скольжения. Плоскость
рисунка совпадает с плоскостью скольжения.
Белыми кружками показаны атомы атомной
плоскости, расположенной непосредственно
выше плоскости скольжения, а чѐрными
кружками – атомы плоскости, расположенной
ниже плоскости скольжения.
Между рассмотренными предельными
случаями – краевой и винтовой дислокациями
– возможны любые промежуточные, где линия
дислокации не обязательно прямая, а может
представлять произвольную плоскую или
пространственную кривую.
Дислокации образуются при срастании зѐрен и блоков в процессе
кристаллизации, при фазовых превращениях, а также в процессе пластической
деформации.
Внутри кристалла линии дислокации не могут обрываться и должны либо
выходить на поверхность кристалла (кристаллита), либо разветвляться, образуя
сетку дислокаций, либо быть замкнутыми, образуя так называемые
дислокационные петли.
Одной из важнейших характеристик дислокаций является их плотность –
суммарная длина всех линий дислокаций в единице объѐма материала
(размерность см/см3 или см
-2). Плотность дислокаций определяется
экспериментально, как среднее число линий дислокаций, пересекающих
единичную площадку. В наиболее совершенных монокристаллах плотность
дислокаций составляет 102–10
3 см
-2, для отожжѐнных металлов – 10
6–10
8 см
-2, а
для холоднодеформированных она увеличивается до 1011
–1012
см-2
, что
Рис. 6. Расположение атомов
вокруг винтовой дислокации АБ
Page 17
равносильно суммарной длине дислокаций, заключенных в 1 см3, примерно в
один миллион километров. Это больше, чем расстояние от Земли до Луны и
обратно!
Прочность металла от плотности дислокаций зависит следующим образом:
для наиболее совершенных монокристаллов (бездефектные усы) она близка к
теоретической, для отожжѐнных металлов снижается, а при дальнейшем
увеличении плотности дефектов – несколько возрастает.
Степень искажения кристаллической решѐтки вокруг дислокации
оценивается вектором Бюргерса – основной характеристикой дислокационной
линии. Для его определения вокруг линии дислокации строится контур (контур
Бюргерса). Такой контур в кристалле с краевой дислокацией представлен на
рис. 7. Откладывая из точки 1 отрезки, равные, например, трѐм межатомным
расстояниям (протяжѐнность сторон
контура выбирается произвольно) и,
обходя дислокацию, как показано на
данном рисунке, приходим в точку 1'.
Контур оказывается разомкнутым. Чтобы
замкнуть контур, его необходимо
дополнить вектором, замыкающим разрыв.
Этот вектор называют вектором Бюргерса
и обозначают b. Понятно, что в
бездефектном кристалле контур был бы
замкнутым.
Определение вектора Бюргерса
винтовой дислокации производят
аналогично. Вектор Бюргерса однозначно
характеризует дислокацию. Он позволяет
рассчитать ряд параметров, например,
силы, требуемые для продвижения дислокации.
У винтовой дислокации вектор Бюргерса параллелен к еѐ линии, у краевой
– перпендикулярен.
Дислокации оказывают влияние не только на прочностные свойства. Они
увеличивают электросопротивление, скорость диффузии.
К поверхностным дефектам относятся границы зѐрен, субзѐрен,
двойниковые границы, дефекты упаковки (нарушения в чередовании
плотноупакованных плоскостей; чаще всего встречаются в плотноупакованных
структурах – ГЦК и ГПУ). Границы представляют переходную зону между
кристаллитами или субзѐрнами с различной ориентацией
кристаллографических плоскостей (рис. 8). Ориентация зѐрен показана
стрелками.
Рис. 7. Контур Бюргерса 1–2–3–4–1'
вокруг краевой дислокации,
замыкающейся вектором Бюргерса b
Page 18
Переходная область
между кристаллитами
составляет 5–10
межатомных расстояний.
Нарушения на границах
субзѐрен меньше.
Поверхностные дефекты,
особенно границы зѐрен,
оказывают существенное
влияние на свойства
материалов. Например,
предел текучести ζт зависит
от размера зерна d
следующим образом:
ζт = ζo + kd-0,5
,
где ζo и k – постоянные
для данного материала, т. е. чем мельче зерно, тем выше предел текучести.
Увеличивается вязкость и снижается опасность хрупкого разрушения. Размер
субзѐрен оказывает аналогичное, но меньшее влияние. По сравнению с
диффузией сквозь кристалл, диффузия по границам зѐрен протекает во много
раз быстрее, что имеет большое практическое значение.
К объѐмным дефектам относятся скопления точечных дефектов типа пор,
включения посторонних фаз, смещения атомов из-за разной ориентации
граничащих объѐмов кристалла.
1.3. Диффузионные процессы в металле
В специальной литературе приводится несколько отличающихся в деталях
определений слова диффузия (от лат. diffusio – распространение, растекание). В
общем случае под диффузией условимся понимать перемещение атомов на
расстояния не менее средних межатомных для данного вещества. Диффузия –
прямое следствие теплового движения атомов. При постоянной температуре и
отсутствии разности химических потенциалов в пределах системы
диффузионное перемещение происходит неупорядоченно. Разность химических
потенциалов может определить направленный диффузионный поток, т. е.
направление преимущественного перемещения. При постоянной температуре
разность химических потенциалов может быть обусловлена наличием дефектов
в кристаллах, градиентом упругих напряжений, а также неоднородностью
распределения концентраций компонентов системы.
В твѐрдых телах принципиально возможно несколько механизмов
диффузионного перемещения атома: циклический – одновременное
перемещение группы атомов по замкнутому контуру; обменный – взаимный
обмен положением двух атомов (частный случай циклического); вакансионный
– переход атома из позиции, в которой он находится, в свободную позицию –
вакансию; межузельный – перемещение атомов в междоузлиях (рис. 9).
Рис. 8. Схема, демонстрирующая переходную зону
между зѐрнами с различной кристаллографической
ориентацией
Page 19
Реализуется тот механизм, при котором оказывается наименьшим
энергетический барьер (энергия активации) – величина, которую необходимо
преодолеть перемещающемуся атому. Для металлических атомов наиболее
вероятен вакансионный механизм, а для элементов с малым атомным радиусом,
таких как водород, углерод, азот – межузельный.
Рис. 9. Схема, демонстрирующая механизмы перемещения атомов в
кристаллической решѐтке металла:
I – совместное перемещение (циклическое вращение) группы атомов (в
данном случае – четырѐх);
II – обмен соседних атомов;
III – 1 – вакансия, в которую может переместиться атом 2, обладающий
повышенной энергией; появившуюся на месте атома 2 вакансию может занять
атом 3 и т. д.;
IV – диффузия по межузельному механизму (характерна для элементов с
малым атомным радиусом – C, N, H)
Для описания диффузионных процессов в металлах и сплавах предложен
ряд зависимостей, в основе которых лежат признанные классическими законы
Фика. Их два. Они рассматриваются в специальной и учебной литературе, где
материаловедение является профилирующей дисциплиной.
Диффузионные процессы играют важную роль в процессах
кристаллизации, рекристаллизации, фазовых превращений, лежат в основе
многих технологических процессов, таких как получение материалов методами
порошковой металлургии, создание диффузионных покрытий (азотирование,
цементация, борирование, силицирование, хромирование, нитроцементация и
т. п.), плазменных и детонационных покрытий, покрытий, получаемых методом
холодного газодинамического напыления, а также в процессах обработки
материалов резанием, при эксплуатации машин и механизмов и во многих
других случаях.
Page 20
ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
2.1. Кристаллизация металлов
Переход металла из жидкого состояния в твѐрдое кристаллическое
называется кристаллизацией. Вместе с тем, в некоторых учебниках
кристаллизация определяется как переход металла из жидкого состояния в
твѐрдое. Такое определение устарело. Оно не точно, поскольку в настоящее
время многие металлические материалы, благодаря высоким скоростям
охлаждения их расплавов, получают не в кристаллическом, а в аморфном
состоянии. Одно из современных определений понятия «кристаллизация»
звучит так: «Кристаллизация – образование кристаллов при переходе вещества
из термодинамически неустойчивого состояния (жидкого, твѐрдого,
газообразного) в устойчивое». На рис. 10 представлена так называемая Р–Т
диаграмма состояния чистого вещества.
Из показанных на данном
рисунке линий – «плавление»,
«кипение» и « сублимация» –
первые две не нуждаются в
пояснении, поскольку понятия
«плавление» и «кипение» хорошо
известны из школьного курса.
Дадим определение третьему
понятию – «сублимации».
Сублимация – переход вещества
из твѐрдой фазы в газообразную,
минуя жидкую (вещество не
плавится). Этот переход
сопровождается поглощением
тепла.
Из рис. 10 следует, что
вещество в кристаллическом
состоянии (область ниже ВАС
или ВАС') может быть получено,
кроме обычных хорошо
известных путей: «жидкость →
твѐрдое» (например, замерзание водоѐмов, процессы пайки) или «газ →
жидкость → твѐрдое», также путем «газ → твѐрдое» (осаждение из газовой
фазы). Первые два процесса, как видно из диаграммы, протекают при
давлениях, превышающих давление в тройной точке А, а осаждение из газовой
фазы – при меньших давлениях. Данное выше определение кристаллизации
предусматривает еще один путь получения кристаллического вещества, а именно
«твѐрдое → твѐрдое». Наглядный пример «твѐрдого» пути – переход вещества из
аморфного состояния в кристаллическое.
Рис. 10. Диаграмма состояния чистого вещества:
AC' – кривая плавления вещества с
аномальным изменением объѐма при
плавлении (лѐд, Bi, Ga и др.)
Page 21
Проанализируем наиболее «близкий» нам и кажущийся на первый взгляд
простым процесс перехода металла из жидкого состояния в твѐрдое
кристаллическое (так называемая первичная кристаллизация). Уместно
напомнить, что согласно второму закону термодинамики ни один процесс не
может самопроизвольно совершаться без уменьшения свободной энергии
Гиббса. Следовательно, предпочтительность образования той или иной фазы, в
данном случае твѐрдой или жидкой, определяется тем, какая из фаз при
заданных условиях, например, температуре, будет обладать меньшей свободной
энергией.
Из курса термодинамики известно, что свободной энергией
(термодинамическим потенциалом) называют ту составляющую полной
энергии вещества, которая обратимо изменяет свою величину при изменении
температуры.
G = H – TS,
где G – свободная энергия;
H – полная энергия системы;
T – абсолютная температура;
S – энтропия.
На рис. 11 показана температурная
зависимость свободной энергии твѐрдой и
жидкой фаз. Видно, что величина
свободной энергии с повышением
температуры как для твѐрдого, так и для
жидкого состояний уменьшается, так как
энтропия всегда положительна и
возрастает с повышением температуры.
Поэтому кривая G = f(T) всегда обращена
выпуклостью вверх. При равновесной
температуре Тр, соответствующей
пересечению кривых, обе фазы – жидкая
и твѐрдая – могут сосуществовать
одновременно и достаточно долго. Поэтому процесс кристаллизации при этой
температуре еще не начинается.
Выше температуры Тр более устойчив жидкий металл, ниже – твѐрдый.
Очевидно, что процесс кристаллизации будет развиваться при некотором
переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тр, т. е. при условии,
когда возникает разность свободных энергий твѐрдого и жидкого металлов ΔG.
Разность между величиной Тр и температурой кристаллизации Тк – ΔТ = Тр − Тк
получила название степени переохлаждения. Степень переохлаждения зависит
от скорости охлаждения расплава.
На рис. 12 приведены кривые охлаждения, характеризующие процесс
кристаллизации чистых металлов с разной скоростью V : V3 V2 V1. Видно,
что при очень медленном охлаждении процесс кристаллизации протекает при
температуре, близкой к равновесной, т. е. при небольшой степени
переохлаждения.
Рис. 11. Схема температурной
зависимости свободной энергии
металла в жидком и твѐрдом
состояниях
Page 22
С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает,
т. е. процесс кристаллизации протекает при более низкой температуре.
Горизонтальные участки на кривых охлаждения соответствуют
температуре кристаллизации и обусловлены выделением скрытой теплоты
кристаллизации. По длине они отвечают продолжительности кристаллизации.
При очень больших скоростях охлаждения могут быть получены металлические
стѐкла – аморфный металл. В этом случае горизонтальной остановки не будет
(кривая V3).
Степень переохлаждения зависит
также от природы металла и его чистоты
и составляет обычно 10–30 оС. Чистые
металлы более склонны к
переохлаждению.
Наш выдающийся соотечественник
Д.К. Чернов впервые установил, что
процесс кристаллизации начинается с
образования кристаллических
зародышей – центров кристаллизации –
и продолжается в процессе роста их
числа и размера.
Пока только что зародившиеся
кристаллы растут свободно, они имеют
достаточно правильную
геометрическую форму. В дальнейшем,
при столкновении кристаллов, их
правильная форма нарушается, так как
рост продолжается только в тех местах,
где остается свободный доступ «питающей» жидкости. В результате кристаллы
после затвердевания получают неправильную форму. Такие кристаллы, как уже
отмечалось, называют кристаллитами, или зѐрнами.
Зарождение центров кристаллизации может происходить двумя путями:
самопроизвольно (гомогенно) или гетерогенно, т. е. на инородных твѐрдых
частицах, присутствующих в расплаве, в том числе на стенках сосуда.
2.2. Гомогенное образование зародышей
В отличие от твѐрдого кристаллического тела, где на больших расстояниях
сохраняется постоянство межатомных расстояний и угловых соотношений
(дальний порядок), в жидком металле сохраняется лишь так называемый
ближний порядок (рис. 13).
Рис. 12. Характер кривых охлаждения
при затвердевании металла:
Тр – равновесная температура
кристаллизации. V3 V2 > V1
Page 23
Рис. 13. Модель строения жидкого металла. Показан микрообъем с
расположением атомов, соответствующим твердому состоянию
Это означает, что в жидкости имеются микрообъѐмы с расположением
атомов, соответствующим твѐрдому состоянию. Ближний порядок динамически
неустойчив: микрообъѐмы с правильным расположением атомов могут
разрушаться, а затем возникать вновь и т. п. Размер таких объѐмов,
продолжительность их существования и «степень» ближнего порядка с
понижением температуры возрастают.
При достижении температур, близких к точке плавления, в жидком металле
возможно образование группировок с таким
расположением атомов, как в кристаллах.
Такие группировки получили название
фазовых или гетерофазных флуктуаций.
Наиболее крупные гетерофазные флуктуации
в чистом от примесей металле могут
превратиться в зародыши – центры
кристаллизации.
Самопроизвольное превращение
жидкой фазы в твѐрдую затруднено тем, что
с возникновением зародыша твѐрдой фазы
связано образование поверхности раздела
между фазами. Поскольку атомы
поверхностного слоя любого вещества
обладают большей свободной энергией по
сравнению с атомами, расположенными
внутри объѐма, то образование поверхности
раздела должно сопровождаться увеличением
свободной энергии системы. Если бы это
увеличение компенсировалось уменьшением
свободной энергии в результате образования
более устойчивой твѐрдой фазы, то
превращение развивалось бы самопроизвольно.
Рис. 14. Изменение свободной
энергии металла при образовании
зародышей кристаллов в
зависимости от их величины R: 1 – уменьшение свободной
энергии системы в результате
образования зародышей твѐрдого
металла;
2 – возрастание свободной
энергии в результате образования
поверхности раздела между твѐрдым
и жидким металлом;
3 – суммарное изменение
свободной энергии
Page 24
На самых начальных стадиях превращения такая компенсация невероятна,
поскольку число поверхностных атомов по отношению к числу внутренних
очень велико. Не все возникающие зародыши способны к росту. В какой-то
«критический» момент создаются облегчающие условия для образования
зародыша, и указанная компенсация становится возможной. Это объясняется
тем, что увеличение свободной энергии поверхностного слоя растет
пропорционально величине поверхности, т. е. пропорционально квадрату
радиуса частицы, а уменьшение свободной энергии в объѐме испытавшего
превращение вещества – пропорционально кубу радиуса частицы. Сказанное
демонстрируется на рис. 14.
На рисунке обозначен критический размер зародыша RK – минимальный
размер зародыша, способного к росту при данных температурных условиях.
Если возникает зародыш размером менее RK, он не способен к росту,
поскольку свободная энергия системы при этом будет увеличиваться. Такой
зародыш растворится в жидком металле. Если возникает зародыш размером
больше критического, он более устойчив в термодинамическом отношении, чем
зародыш докритического размера, и может расти дальше, так как свободная
энергия системы при этом будет уменьшаться и в дальнейшем станет
отрицательной.
Не трудно представить, что чем больше степень переохлаждения, тем
меньше размер критического зародыша. Скорость процесса кристаллизации и
структура металла после затвердевания определяются числом центров
кристаллизации n, возникающих в единице объѐма в единицу времени
(n/(см3·с)) и скоростью роста кристаллов, например, линейной (см/с). Обе эти
величины зависят от температуры, при которой идет кристаллизация, т. е. от
степени переохлаждения. Форма привѐденных на рис. 15 кривых может быть
предсказана без эксперимента на основании следующих соображений.
(Многоугольниками условно показан
размер зерна.)
При температуре фазового
равновесия Тр, где величина
переохлаждения ΔТ = 0, и, конечно,
при более высоких температурах
число центров и скорость роста
равны нулю. При очень низких
температурах (точка В), когда
подвижность атомов относительно
друг друга чрезвычайно мала, обе
величины должны быть также равны
нулю. При каких-то промежуточных
температурах превращение идѐт.
Поэтому где-то между точкой
фазового равновесия и абсолютным
нулем кривые числа центров и
линейной скорости роста должны пройти через максимум. На рис. 15 показано
Рис. 15. Зависимость числа зародышей –
центров кристаллизации ч.ц. и линейной
скорости их роста с.р. от величины
переохлаждения ΔT
Page 25
наиболее характерное относительное расположение кривых. На опыте для
металлов, вследствие их слабой переохлаждаемости, удается определять только
восходящие ветви кривых.
Еще раз подчеркнѐм, что при очень низких температурах (большой
величине переохлаждения) диффузионная подвижность атомов чрезвычайно
мала. В этом случае большая разность свободных энергий твѐрдого и жидкого
металлов оказывается недостаточной для образования кристаллических
зародышей и их роста, и затвердевание приводит к аморфному состоянию.
При небольшой величине переохлаждения, когда число зародышей мало, а
скорость их роста вследствие высоких температур велика, получается крупное
зерно. С увеличением степени переохлаждения, когда число центров
кристаллизации возрастает в большей мере, чем скорость их роста, размер
зерна в затвердевшем металле уменьшается. Величина зерна может меняться от
0,001 до 0,4 мм. Чем крупнее зерно, тем ниже пластичность и прочность металла.
Кроме степени переохлаждения, на размер зерна оказывают влияние
температура нагрева и разливки жидкого металла, его химический состав,
присутствие примесей и другие факторы.
2.3. Гетерогенное образование зародышей
Рассмотренное выше самопроизвольное образование зародышевых
центров возможно только в высокочистых металлах. Чаще источником
образования зародышей являются твѐрдые тугоплавкие частицы, всегда
присутствующие в расплаве. Даже в чистейших металлах содержится обычно
не менее нескольких тысячных, а чаще сотых долей процента посторонних
атомов, что соответствует колоссальному количеству атомов в одном
кубическом сантиметре. Например, если примесью в алюминии является
кремний в количестве 0,001 мас. % (т. е. одна стотысячная часть от всей массы
металла), то количество атомов кремния в 1 см3 будет около 6·10
17.
Если кристаллические решѐтки затвердевающего металла и примеси
близки по строению, то последние играют роль готовых центров
кристаллизации. Отсюда вытекает: чем больше примесей, тем больше центров
кристаллизации и тем мельче зерно.
Свойство твѐрдых примесей облегчать зарождение центров и смещать
переохлаждение в область высоких температур, где скорость роста
уменьшается, широко используется в практике для получения материалов с
мелкозернистой структурой, что способствует улучшению механических
свойств. В расплав металла вводят малые добавки специальных веществ,
получивших название модификаторов (процесс модифицирования). Зерно при
этом может измельчаться в десятки раз, а химический состав металла
практически не изменяется. При литье фасонных отливок и слитков
модифицирование часто проводят введением в расплав добавок, образующих
карбиды, нитриды и другие тугоплавкие соединения, которые, кристаллизуясь в
первую очередь в виде мельчайших частиц, служат зародышами кристаллов.
В последнее время возрос интерес к использованию в качестве
модификаторов ультрадисперсных порошков тугоплавких соединений с
Page 26
размерами частиц 0,01–0,1 мкм, получение которых в значительных
количествах стало возможным благодаря перспективному бурно
развивающемуся направлению – плазмохимическому синтезу. При
использовании этих порошков в литейном производстве достигнуты
уникальные результаты, выражающиеся в значительном повышении предела
прочности при растяжении, пластичности, ударной вязкости и других физико-
механических характеристик металлических материалов. С участием авторов
настоящего пособия разработаны дисперсные и ультрадисперсные порошки
некоторых тугоплавких материалов (додекаборид алюминия АlВ12, дибориды
титана и циркония TiB2 и ZrB2 и др.), которые эффективно зарекомендовали
себя не только в качестве модификаторов, но и в составе композиционных
покрытий различного назначения.
2.4. Кристаллизация сплавов
Большинство металлов неограниченно растворяются друг в друге в жидком
состоянии. Как уже отмечалось, кристаллизация чистых металлов протекает
при постоянной температуре. Сплавы, за исключением некоторых частных
составов, кристаллизуются в интервале температур, а образующиеся твѐрдые
фазы отличаются по составу от исходного жидкого раствора. Поэтому для
возникновения устойчивого зародыша, кроме гетерофазных флуктуаций при
кристаллизации чистого металла, необходимы флуктуации концентрации –
временно возникающие в отдельных микрообъѐмах жидкого раствора
отклонения химического состава от среднего состава сплава. Указанные
флуктуации становятся возможными в результате диффузионного перемещения
атомов вещества. Чем больше отклонение состава флуктуации от среднего, тем
труднее еѐ возникновение.
Образование зародыша новой фазы возможно в тех микрообъѐмах, где
состав в результате концентрационной флуктуации и расположение атомов
соответствует составу и строению новой кристаллизующейся фазы.
Переохлаждение и присутствие в жидкой фазе взвешенных частиц
способствуют образованию зародышей. Размер этих зародышей должен быть
не меньше критического. Скорость их роста меньше, чем в чистых металлах,
поскольку рост кристалла в сплавах связан с диффузией атомов в жидком
растворе.
2.5. Строение металлического слитка
В процессе затвердевания металлов и сплавов могут образовываться
кристаллы различной формы, наиболее часто – разветвлѐнные, или
древовидные, получившие название дендритов. Впервые они были обнаружены
в затвердевшей стали русским металлургом Д.К. Черновым (1878). Дендриты
образуются в процессе медленной кристаллизации из расплавов и паров. Их
рост происходит главным образом в направлении плоскостей с максимальной
плотностью упаковки атомов, т. е. с минимальным межатомным расстоянием.
После возникновения зародыша начинает расти ось первого порядка – главная
ось будущего дендритного кристалла. После этого перпендикулярно или под
Page 27
некоторым углом к ней растут оси второго порядка, перпендикулярно к ним –
оси третьего порядка и т. д. При этом пространство между ветвями кристаллов
и дендритами обогащается примесями, из-за затруднѐнного поступления в
некоторые объѐмы «питающей» жидкости при затвердевании образуются
микропоры и микроскопические усадочные раковины, что ухудшает
механические свойства материала. Так формируются неоднородные по
химическому составу и структуре зѐрна при кристаллизации, казалось бы,
чистого металла. Схема дендритного кристалла приведена на рис. 16.
При столкновении дендритов их правильная форма нарушается.
В случае кристаллизации сплавов
неоднородность зѐрен еще более
усиливается, поскольку в ходе
кристаллизации состав твѐрдой фазы
постоянно изменяется, не достигая при
реальных скоростях охлаждения
равновесного. Объѐмы, затвердевшие в
первую очередь, будут обогащены более
тугоплавким компонентом. Сказанное
можно легко представить после
ознакомления с диаграммами состояния
двойных сплавов (глава 5).
Формирование структуры слитка
происходит в соответствии с
рассмотренными выше закономерностями.
Обычно в слитке можно выделить три
зоны с различной структурой (рис. 17).
У поверхности холодной формы –
изложницы – в слое сильно переохлаждѐнного жидкого металла формируется
очень узкая зона относительно мелких равноосных (глобулярных)
кристаллитов. Далее, к центру слитка, образуется зона из столбчатых зѐрен –
удлинѐнных дендритных кристаллитов, расположенных перпендикулярно к
стенкам изложницы, т. е. в направлении отвода теплоты.
При сильном перегреве металла, высокой температуре литья, спокойном
заполнении формы и быстром охлаждении зона удлинѐнных дендритных
кристаллитов может заполнить весь объѐм отливки. Для столбчатой зоны
характерны малое содержание раковин, газовых пузырей и высокая плотность.
Однако по границам столбчатых зѐрен металл имеет пониженную прочность,
что может привести при последующей обработке давлением к возникновению
трещин. Для стали, обладающей сравнительно невысокой пластичностью,
развитие зоны столбчатых кристаллитов нежелательно, для пластичных
материалов, например, меди и еѐ сплавов, наоборот – желательно, поскольку
разрушение слитка при обработке давлением не происходит, а сам слиток
получается более плотным.
В случае низкой температуры литья и медленного охлаждения во
внутренней части крупных отливок создаются условия для возникновения
Рис. 16. Схема дендритного кристалла:
I – ось первого порядка (главная ось);
II – ось второго порядка;
III – ось третьего порядка
Page 28
зародышей кристаллов. Это приводит к образованию зоны, состоящей из более
или менее равноосных различно ориентированных в пространстве крупных
зѐрен. Возникновение кристаллов возможно еще в период литья вследствие
охлаждения поверхности струи металла во время его заливки в форму. Попав в
форму со струей, эти кристаллические зародыши могут расплавиться, а могут и
сохраниться и вырасти в разветвлѐнные равноосные дендриты, мешающие
росту столбчатых кристаллов.
Примеси, помимо общего измельчения зерна, изменяют соотношение
столбчатой и равноосной зон, затрудняя линейный рост столбчатых кристаллов.
При фасонном литье желательно получение мелкозернистой равноосной
структуры.
Сопутствующий дефект макроструктуры отливок – усадочная раковина,
образующаяся в той части, где затвердевание происходит в последнюю очередь.
Усадочная раковина обычно окружена загрязнѐнной частью металла, пузырями,
микро- и макропорами. Такой слиток нельзя использовать для получения
изделий. Поэтому его верхнюю часть, 20–25 % металла по массе, отрезают и
направляют на переплав.
В целом можно сказать, что для слитков, получаемых по традиционной
схеме, характерны крупнозернистая, неоднородная структура, неравномерное
распределение по сечению легирующих элементов и вредных примесей,
неоднородность по химическому составу самих дендритов.
Указанные недостатки в значительной мере устраняются при получении
слитков на установках непрерывной разливки стали. Еѐ принципиальная схема
приведена на рис. 18.
Page 29
Жидкий расплав из ковша через разливочное устройство поступает в
сквозную изложницу – кристаллизатор. Стенки кристаллизатора, изготовленные
из меди, интенсивно охлаждаются водой. В начале работы шахту
кристаллизатора перекрывают брусом-затравкой, который выполняет роль дна и
искусственного центра кристаллизации. Затвердевший у стенок
кристаллизатора и у поверхности бруса-затравки металл с определѐнной
скоростью, составляющей обычно 0,5–1,5 м/мин, начинают извлекать из
кристаллизатора, уровень металла в котором поддерживается постоянным.
Заготовка, выходящая из кристаллизатора, интенсивно орошается из
форсунок водой, что приводит к получению мелкозернистой структуры. После
затвердевания по всему сечению заготовка разрезается на части необходимой
длины.
Способ непрерывной разливки стали повышает производительность и
выход годного, обеспечивает большую степень однородности по длине и
поперечному сечению заготовок, что, в свою очередь, повышает механические
Рис. 18. Схема установки
непрерывной разливки стали.
Вертикальная разливка
Рис. 17. Типичная
макроструктура слитка:
1 – зона мелких равноосных
кристаллов;
2 – зона столбчатых
кристаллов, расположенных
нормально к стенкам
изложницы (формы);
3 – зона равноосных
кристаллов больших размеров;
4 – усадочная раковина
4
Page 30
свойства и надѐжность металлоизделий. Непрерывную разливку осуществляют
в вертикальном и радиальном вариантах.
2.6. Высокоскоростная кристаллизация металлов
Во второй половине 20-го столетия во Всесоюзном институте лѐгких
сплавов под руководством академика А. Белова было создано новое
направление – высокоскоростная кристаллизация металлов. При скоростях
охлаждения 10 000 ○C в секунду были получены микрослитки с мелкозернистой
и однородной структурой, лишѐнной перечисленных выше недостатков.
Микрослитки представляли собой гранулы размером 5–500 мкм. Они
получались различными методами, наиболее распространѐнный из которых –
распыление расплава металла струѐй чистого нейтрального газа. Структура
гранул представлена на рис. 19.
а) б) в)
Рис. 19. Структуры гранул, полученных при скорости охлаждения 104 ○
C/с:
а) увеличение в 200 раз; б) в 300 раз; в) в 1 000 раз
Жаропрочность изделий газотурбинных двигателей, изготовленных из
таких гранул, была повышена более чем в полтора раза. Тем самым был сделан
значительный шаг в уменьшении разрыва между теоретической и практической
прочностью.
2.7. Полиморфные превращения
Многие металлы в зависимости от температуры и давления могут изменять
кристаллическую структуру. Такие структуры называются полиморфными
модификациями. Переход вещества из одной модификации в другую в условиях
равновесия, т. е. при малой степени переохлаждения, протекает при постоянной
температуре с выделением тепла в случае охлаждения и с поглощением тепла,
если превращение протекает при нагреве. Полиморфные фазовые превращения
аналогично плавлению или кипению обусловлены изменением свободной
энергии.
Металлы, обладающие разными полиморфными модификациями, в
процессе охлаждения (нагрева) претерпевают перекристаллизацию в твѐрдом
состоянии. В соответствии с законами фазовых превращений
перекристаллизация происходит путѐм образования зародышей и роста
Page 31
кристаллов новой фазы. В результате превращения возникают новые зѐрна,
имеющие другой размер и форму. В отличие от кристаллизации из жидкого
состояния, перекристаллизация в твѐрдом состоянии сопровождается упругими
напряжениями.
Полиморфные превращения испытывают не только чистые металлы, но и
сплавы. Эти превращения сопровождаются изменением плотности,
теплофизических, электрических, магнитных, химических, механических и
других свойств.
Изучение явлений полиморфизма имеет громадное практическое значение.
Его необходимо учитывать в науке и технике при создании и использовании
материалов. Ярким примером в этом отношении является «болезнь» белого
олова – так называемая «оловянная чума». Как известно, есть два вида (или две
модификации) олова: серебристо-белое и серое. Первое термодинамически
стабильно при температурах выше 13,2 °С. Ниже этой температуры атомы
белого олова могут перестроиться и образовать кристаллы другой
разновидности – серого олова. Свойства этих двух видов олова сильно
отличаются. Плотность белого олова составляет 7,3 г/см3, а серого – 5,8 г/см
3.
Переход из белой разновидности в серую сопровождается резким увеличением
объѐма (на 25,6 %), и белое олово рассыпается в серый порошок.
Это случилось в конце 18 в. в Петербурге на одном из неотапливаемых
складов военного обмундирования, когда зимой под воздействием низких
температур большие запасы начищенных белых пуговиц, изготовленных из
олова, рассыпались в порошок. То же самое произошло с брусками белого
олова, отправленного поездом однажды из Голландии в Москву. Вместо слитков
был привезѐн серый порошок.
Если серое олово обдать кипятком, оно от сильного нагревания перейдѐт в
белую разновидность. Конечно, при этом не восстановятся ни слитки, ни
пуговицы, а получится лишь порошок белого цвета.
Наряду с анекдотическими известны трагические последствия «болезни»
белого олова. Так, антарктическая экспедиция английского полярного
исследователя Роберта Скотта к Южному полюсу, достигнув его 18 января 1912
г. (на 33 дня позже норвежского полярного исследователя Р. Амундсена),
погибла на обратном пути. Одна из причин – разрушение «чумой» паянных
оловом сосудов с жидким топливом.
Следует различать понятия «полиморфизм» и «аллотропия». Эти понятия
совпадают лишь тогда, когда рассматриваются разные кристаллические
модификации одного и того же элемента. Так, аллотропические модификации
ромбической и моноклинной серы являются в то же время и полиморфными ее
модификациями, но газообразные кислород О2 и озон О3 – это только
аллотропические модификации элемента кислорода.
Page 32
ГЛАВА 3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
3.1. Общие сведения о свойствах
Свойства металлов и сплавов обычно делят на четыре группы: физические,
химические, механические и технологические.
К физическим свойствам относятся: цвет, плотность, температура
плавления, теплоѐмкость, теплопроводность, электропроводность, коэффициент
излучения, электронно-эмиссионные, магнитные и другие свойства.
К химическим свойствам относятся: устойчивость в жидких и
газообразных химических реагентах, в том числе – окисляемость,
жаростойкость (окалиностойкость), химическая стойкость в расплавах
металлов, совместимость с элементами и соединениями в твѐрдой фазе,
каталитические и другие свойства.
К механическим свойствам относятся: прочность, пластичность, вязкость,
упругость, твѐрдость и др. Подробно механические свойства будут рассмотрены
ниже.
К технологическим свойствам металлов относятся: жидкотекучесть,
ковкость, свариваемость, обрабатываемость режущим инструментом.
Жидкотекучесть – способность металлов растекаться и заполнять литейную
форму. Ковкость – способность металлов подвергаться обработке давлением, а
именно: прокатке, прессованию, волочению, штамповке и собственно ковке.
Свариваемость – способность металлов давать прочные неразъѐмные
соединения полученных из них деталей. Свойство металлов подвергаться
обработке резанием, несмотря на большие отходы металла в виде стружки,
широко используется в технике. Это связано с тем, что обработка резанием по
сравнению с другими методами обеспечивает более точные размеры и чистоту
поверхности деталей.
3.2. Механические свойства
Создание машин и механизмов, бытовых изделий требует знания целого
ряда различных свойств металлов и сплавов, в том числе механических.
Под механическими свойствами твѐрдых тел понимают способность
твѐрдых тел сопротивляться деформации и разрушению (в сочетании с упругим
и пластическим поведением) под действием внешних сил.
Основными характеристиками механических свойств, как известно из
курса сопротивления материалов, являются модуль нормальной упругости,
предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел
прочности или временное сопротивление, предел длительной прочности,
предел усталости, предел ползучести, относительное удлинение, относительное
сужение поперечного сечения при разрыве, твѐрдость, сопротивление удару или
удельная ударная вязкость.
Указанные свойства определяют по результатам механических испытаний.
В зависимости от характера нагружения различают статические, динамические
и циклические испытания. При статических испытаниях нагрузка прилагается к
образцу сравнительно медленно и возрастает плавно, при динамических – с
Page 33
ударом и большой скоростью. При циклических испытаниях образец
подвергают многократному нагружению, которое изменяется по величине или
по величине и направлению. Нагрузка вызывает в твѐрдом теле напряжение и
деформацию. Под напряжением понимают величину нагрузки, отнесѐнную к
единице площади испытываемого образца, под деформацией – изменение
формы и размеров твѐрдого тела.
К статическим испытаниям относятся: испытание на растяжение, на
сжатие, кручение, изгиб, на твѐрдость.
3.2.1. Испытание на растяжение
Испытание на растяжение – метод, получивший широкое распространение
для конструкционных сталей, цветных металлов и их сплавов. При этом
используют образцы круглой и плоской формы. По результатам одного опыта
испытание на растяжение позволяет установить ряд важных характеристик
металла. На рис. 20
представлена диаграмма
деформации, фиксирующая
зависимость между
приложенным напряжением ζ и
деформацией образца δ вплоть
до его разрушения. Сплошной
линией обозначена кривая
условных напряжений,
пунктирной – истинных.
Сплошная кривая
характеризует поведение
металла под действием
напряжений, определѐнных как
отношение нагрузки к исходной
площади образца без учѐта его
сужения и потому получивших
название условных. При испытании на растяжение обычно пользуются
диаграммой условных напряжений.
Из рисунка видно, что на начальном участке (до точки А) деформация
прямо пропорциональна напряжению. Тангенс угла наклона прямой ОА к оси
абсцисс или, другими словами, коэффициент пропорциональности между
напряжением ζ и относительной деформацией δ вдоль оси нагружения при
одноосном нагружении, ζ/δ получил название модуля упругости материала Е. В
специальной литературе можно встретить другое название этой характеристики:
модуль растяжения, модуль Юнга – в честь английского учѐного Томаса Юнга
(1773–1829), изучавшего упругое поведение стержней.
Модуль упругости в большинстве случаев не зависит от структуры металла,
т. е. не является структурно чувствительной характеристикой, а определяется
силами межатомной связи. Значения модулей упругости для широко
распространѐнных веществ приведены в табл. 1.
Рис. 20. Типичная кривая растяжения с
площадкой текучести для
конструкционной стали (не в масштабе)
Page 34
Модуль упругости является очень существенной величиной для оценки
материалов, используемых в конструкциях. Так, при одних и тех же значениях
напряжений, тот материал даст меньшую упругую деформацию, например,
провисание балки, у которого больше модуль упругости.
Линейное соотношение между напряжением и деформацией ζ = E∙δ
называют законом Гука – в память о работах другого английского ученого
Роберта Гука (1635–1703), впервые установившего линейную зависимость
между нагрузкой и удлинением. Предельное напряжение в области упругой
деформации (точка A на рис. 20), где выполняется линейная зависимость между
приложенным напряжением и вызываемой им деформацией, т. е. закон Гука,
называется пределом пропорциональности. Его обозначают ζпц.
Таблица 1. Модули упругости
Материал Е, ГПа* Материал Е, ГПа
Железо, сталь 20 210 Цинк 82
Медь листовая 113 Магний 45
Латунь 97 Вольфрам 390
Титан 100 Свинец 17
Алюминий 68 Особо чистое кварцевое стекло 74,5
* ГПа = 100 кгс/мм2
Предельное напряжение, соответствующее нагрузке, при снятии которой
тело еще восстанавливает свои первоначальные размеры, называется пределом
упругости. Предел упругости может совпадать с пределом пропорциональности
или быть несколько выше его (точка B на рис. 20). Во втором случае при
напряжениях, близких к пределу упругости, наблюдается отклонение от закона
Гука. Предел упругости принято определять как напряжение, вызывающее
остаточную деформацию, равную 0,05 % от первоначальной длины образца
(ζ0, 05).
После краткой характеристики модуля упругости, предела
пропорциональности и предела упругости необходимо сделать следующее
принципиальное замечание. С появлением точных методов измерения было
установлено, что чисто упругой деформации, бесследно исчезающей после
снятия нагрузки, не существует. Более того, точные измерения показывают, что
вся кривая растяжения имеет не плавный, а ступенчатый характер, а каждая
ступенька соответствует серии сдвигов, происходящих практически
одновременно. Поэтому данные выше определения упругих характеристик
являются в известной степени условными.
Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к тому, что деформация растет
быстрее, чем напряжение. В точке C возникает значительное удлинение без
заметного увеличения растягивающей нагрузки. На участке CD материал
становится пластичным. Он течѐт: на диаграмме «напряжение – удлинение»
наблюдается так называемая площадка текучести. Наименьшее напряжение,
при котором происходит необратимая пластическая деформация образца без
заметного увеличения растягивающей нагрузки, называют пределом текучести.
Ярко выраженную площадку текучести имеют, как правило, пластичные металлы
и сплавы. Деформация обусловлена интенсивным размножением и
Page 35
перемещением дислокаций. Площадка текучести может быть устранена
предварительной слабой деформацией, закалкой и другими приѐмами.
Для материалов, на диаграмме растяжения которых площадка текучести
отсутствует, определяют условный предел текучести ζ0.2, который соответствует
напряжению, вызывающему остаточное удлинение 0,2 %.
Для того чтобы при снятии нагрузки конструкция (деталь) возвращалась к
исходным размерам, относительные деформации должны находиться в области
линейного закона упругости. Поэтому в основе инженерных расчѐтов
принимают напряжения, не превышающие предела текучести. На практике
нельзя допускать напряжений, приближающихся к пределу текучести.
В точке D материал начинает упрочняться, проявляя дополнительное
сопротивление увеличению нагрузки. В точке E напряжение достигает
максимального значения, или предела прочности ζB, который называют также
временным сопротивлением. Дальнейшее вытягивание образца сопровождается
уменьшением нагрузки, и в точке F начинается его разрушение.
Под пластичностью понимают способность материала, не разрушаясь под
действием внешних сил, изменять форму и размеры. В качестве меры
пластичности принимают относительное удлинение (укорочение) и поперечное
сужение (уширение) при статическом испытании на растяжение (сжатие), а
также ударную вязкость при динамическом испытании. Чаще всего
пластичность характеризуют относительным удлинением δ и относительным
сужением поперечного сечения ψ, выражающимися в процентах по
приведенным ниже уравнениям:
где lo и lk – длина образца до и после разрыва;
Fo и Fk – площадь поперечного сечения образца до и после разрушения.
У хрупких материалов относительное удлинение и сужение близки к нулю,
у пластичных достигают десятков процентов.
Максимальной пластичностью обладают материалы с ГЦК-решѐткой,
промежуточной – с ГПУ, наименьшей – с ОЦК. Наибольшая величина
пластической деформации, предшествующей разрушению, называется пределом
пластичности. Предел пластичности является функцией температуры и условий
деформации (например, растяжением, сжатием).
Пластическая деформация учитывается при выборе материала для
изготовления изделий в операциях вытяжки, штамповки, гибки и т. д.
Предел прочности ζB или временное сопротивление разрыву – понятие
чисто условное, соответствующее отношению максимальной нагрузки,
предшествующей разрушению, к исходному, а не к действительному в момент
разрыва сечению образца.
Поскольку обычная кривая растяжения (рис. 20) не учитывает
постепенного уменьшения сечения образца, то может создаться неверное
впечатление о том, что с увеличением степени деформации напряжения в
испытуемом образце уменьшаются. Если же вычисления производить делением
Page 36
действующей в данный момент силы на площадь поперечного сечения в тот же
момент, мы получим кривую истинных напряжений, показанную на рис. 20
штриховой линией. Эта кривая, совпадая на начальном участке с обычной
кривой, свидетельствует о том, что в действительности в материале напряжения
возрастают вплоть до точки разрушения.
Отсюда следует, что для пластичных материалов получаемые в процессе
обычных опытов на разрыв значения напряжений и прочности не дают верных
представлений об этих характеристиках, поскольку сечение образца в момент
разрыва сильно отличается от исходного. Для хрупких же материалов,
например, сильно наклѐпанных металлов, у которых в момент разрыва сечение
мало изменяется, такой метод может дать представление об истинной
практической прочности.
Необходимо также сделать замечание, касающееся термина «временное
сопротивление». Прочность является функцией времени нахождения под
нагрузкой, что не отражается на диаграммах деформации. При
кратковременном воздействии один и тот же образец может выдержать гораздо
большие нагрузки, чем при длительном. При низких температурах (< 0,3Тпл)
влияние времени менее ощутимо, чем при высоких. Поэтому для низких
температур предел прочности можно считать с достаточной точностью
характеристикой материала без указания времени испытания. При высоких
температурах обязательно указывается время испытания, и термин «временное
сопротивление» является более подходящим по смыслу, чем термин «предел
прочности».
Определение истинных напряжений имеет особое значение для
прочностных расчѐтов, технологии обработки металлов и анализа протекающих
в металле процессов.
Таким образом, при испытании на растяжение деформация образца сначала
является макроупругой. При дальнейшем нагружении деформация постепенно
переходит в пластическую, происходящую по дислокационному механизму.
Накопление дислокаций приводит к упрочнению металла, а при значительной
их плотности – к развитию трещин и его разрушению.
Изменяя формы образца и виды нагружения подобным образом
определяют характеристики материала при изгибе, сжатии, кручении и других
видах механических испытаний.
3.2.2. Твѐрдость металлов
Твѐрдость – способность материала оказывать сопротивление
проникновению в него другого, более твѐрдого или, другими словами,
оказывать сопротивление пластической деформации. В силу быстроты,
простоты, малой стоимости определений, а также возможности судить о
свойствах изделия без его разрушения, измерение твѐрдости получило
распространѐнное применение для контроля качества металла в изделиях.
Для определения твѐрдости, а точнее, макротвѐрдости, в промышленности
широко используются методы Бринелля, Роквелла и Виккерса (Бринелль –
шведский инженер, Роквелл – американский металлург, «Виккерс» – название
Page 37
британского концерна). Определение твѐрдости по методу Бринелля основано
на вдавливании в плоскую чистую и гладкую поверхность металла под
постоянной нагрузкой твѐрдого стального шарика. Твѐрдость выражается
отношением приложенной нагрузки к площади сферической поверхности
отпечатка. Практически для определения твѐрдости измеряют диаметр
отпечатка и по нему находят значение твѐрдости в прилагаемых к прибору
таблицах.
Нагрузку Р и диаметр шарика D выбирают в зависимости от испытуемого
материала. Так, при испытании стали и чугуна устанавливают шарик
диаметром 10 мм и Р = 3 000 кгс, при испытании меди и еѐ сплавов D = 10 мм,
Р = 1 000 кгс, а при испытании алюминия, баббитов и других очень мягких
металлов D = 10 мм, Р = 250 кгс. Толщина испытуемых образцов должна быть
не менее 10-кратной глубины отпечатка.
Между числом твѐрдости (НВ), по Бринеллю, и временным
сопротивлением ζВ установлена зависимость, приведѐнная в табл. 2.
Таблица 2. Зависимость между твѐрдостью по методу Бринелля и
временным сопротивлением
Металлы и сплавы Твердость НВ, кгс/мм2 Предел прочности на разрыв ζВ,
МПа
Сталь твѐрдостью НВ 120–175 кгс/мм2 3,4 НВ
175–450 кгс/мм2 3,5 НВ
Медь, латунь, бронза отожжѐнная 5,5 НВ
наклѐпанная 3,5 НВ
Алюминий и его сплавы
твѐрдостью НВ
20–45 кгс/мм2 (3,3–3,6) НВ
Количественные зависимости между числами твѐрдости НВ и другими
механическими характеристиками металла соблюдаются в меньшей степени.
Способом Бринелля не удаѐтся испытывать материалы с числом твердости
НВ более 450 кгс/мм2, поскольку стальной шарик может деформироваться, а
также измерять твѐрдость тонких поверхностных слоев, так как шарик этот
слой продавливает.
Принципиальное отличие измерения твѐрдости по Роквеллу (НR) от
способа Бринелля заключается в том, что твѐрдость определяют не по диаметру
отпечатка, а по его глубине. Инденторами служат алмазный конус с углом при
вершине, равным 120o, или стальной закалѐнный шарик диаметром 1,5875 мм.
Шарик применяют при испытании мягких материалов, а алмазный конус –
твѐрдых. Твѐрдость, по Роквеллу, измеряется в условных единицах. За единицу
твѐрдости принята величина, соответствующая осевому перемещению
индентора на 0,002 мм. Значение твѐрдости сразу считывается по шкале
индикатора. Прибор снабжѐн тремя шкалами – A, B и C.
При испытании материалов с высокой твѐрдостью применяется алмазный
конус и нагрузка 150 кгс. Твѐрдость определяют по шкале С и обозначают HRC
с указанием числа твѐрдости, например, HRC 60. При испытании очень твѐрдых
материалов (более HRC 70) применяют нагрузку 60 кгс, так как вдавливание
алмазного конуса с большой нагрузкой может привести к выкрашиванию
Page 38
алмаза. Твѐрдость отсчитывается по шкале А и обозначается HRA. Стальной
шарик применяют при испытании мягких материалов и нагрузке 100 кгс.
Твѐрдость отсчитывается по шкале В и обозначается HRB. Толщина образца
при испытании способом Роквелла должна быть не менее 1,5 мм.
Пределы измерения твѐрдости по шкалам следующие: для шкалы А от 70
до 85 единиц, для шкалы С – от 20 до 67 единиц, для шкалы В – от 25 до 100
единиц. Между числами твѐрдости по методам Роквелла и Бринелля,
установлена следующая приблизительная зависимость: HB = 10 HRC.
Измерение твѐрдости (HV) по Виккерсу, основано на вдавливании под
действием нагрузки четырѐхгранной алмазной пирамиды с углом между
противоположными гранями при вершине 136○. Твѐрдость по методу Виккерса
выражается отношением приложенной нагрузки к площади поверхности
отпечатка и может быть вычислена с помощью специальных таблиц по
среднеарифметическому значению длин обеих диагоналей отпечатка,
измеряемых после снятия нагрузки, или по формуле:
НV = 1,854 (P/d2),
где Р – нагрузка;
d – среднеарифметическое значение длин диагоналей.
В зависимости от испытуемого материала нагрузку выбирают в пределах от 1
до 100 кгс.
Метод используют для измерения твѐрдости тонких поверхностных слоѐв,
так как диагонали отпечатка примерно в 7 раз больше его глубины, и даже при
небольшой глубине вдавливания пирамиды отпечаток получается четким.
Испытуемая поверхность должна быть тщательно отшлифована или даже
отполирована. Значения твѐрдости, по Виккерсу и Бринеллю, имеют одинаковую
размерность и до величины НВ, равной 450, практически совпадают.
Представляет интерес не только «усреднѐнная» твѐрдость –
макротвѐрдость, определяемая методами Бринелля, Роквелла и Виккерса, но и
твѐрдость отдельных фаз и структур сплава – микротвѐрдость.
Микротвѐрдость (Н) определяют вдавливанием алмазной пирамиды на приборах
типа ПМТ-3. Применяют различные типы алмазных наконечников. Наиболее
широко используют четырѐхгранную пирамиду с углом между гранями при
вершине 136о. В зависимости от особенностей изучаемой структуры применяют
грузы от 5 до 500 гс.
Числа микротвѐрдости определяют с помощью таблиц по средней длине
обеих диагоналей отпечатка. Числа твѐрдости в таблице вычислены по формуле
Н = 1,854·(P/d2), т. е. по той же формуле, что и твѐрдость, по Виккерсу, и
представляют, следовательно, числа твѐрдости по методу Виккерса.
3.2.3. Ударная вязкость
Для материалов, применяемых в условиях ударных нагрузок, большое
значение имеет такая характеристика прочности, как удельная ударная вязкость
(сопротивление удару), которая представляет собою отношение величины
работы, затрачиваемой на разрушение образца при испытании ударной
(динамической) изгибающей нагрузкой, к площади поперечного сечения
Page 39
образца в ослабленном специальным надрезом месте разрушения. Для
испытаний изготавливают стандартные образцы квадратного сечения с
надрезом (концентратором напряжения) посередине.
Метод основан на разрушении этого образца одним ударом маятникового
копра, по шкале которого определяют работу разрушения, затраченную на
излом образца. Образец помещается на опоры маятникового копра так, чтобы
удар приходился с противоположной стороны надреза.
Исключительное значение ударной вязкости заключается в том, что эта
характеристика является чрезвычайно чувствительной к самым незначительным
изменениям в структуре металла, едва заметным даже при электронно-
микроскопическом исследовании. Ударная вязкость резко снижается с
увеличением размера зерна и при выделении по границам зѐрен хрупких фаз.
Так, например, если чистые никель или железо имеют ударную вязкость 15–20
кгс м/см2, то при содержании в этих металлах сотых долей процента серы,
располагающейся в виде сернистых никеля или железа по границам зѐрен,
ударная вязкость при комнатной температуре падает в несколько раз. При
повышенных температурах, соответствующих оплавлению сернистых прослоек
(выше 625 oС для никеля и выше 940
oС для железа), ударная вязкость
становится настолько малой величиной, что металл разваливается даже под
действием собственной тяжести.
Удельная ударная вязкость, в зависимости от вида концентратора
напряжения, обозначается символами KCU, KCV или KCT. Первые две буквы
КС обозначают ударную вязкость, а буквы U, V и T – вид концентратора
напряжения: U – образец с U-образным надрезом радиусом, равным 1 ± 0,07
мм; V – образец с V-образным надрезом радиусом величиной 0,25 ± 0,025 мм; Т
– образец с нанесѐнной трещиной усталости. Испытания образцов с
концентраторами напряжений V и T проводят в случае использования металлов
и сплавов для ответственных конструкций. Испытания выполняют при
температуре +20 oС.
Разрушение бывает вязким (со значительной пластической деформацией) и
хрупким, не сопровождающимся заметной пластической деформацией.
Молибден, α-железо, вольфрам, цинк и многие другие металлы в зависимости
от температуры могут разрушаться как вязко, так и хрупко. Понижение
температуры приводит к переходу от вязкого характера разрушения к хрупкому
(хладноломкость). Температура, при которой происходит переход одного вида
разрушения в другой, получила название критической температуры
хрупкости, или порога хладноломкости. Порог хладноломкости зависит от
структуры металла, вида концентраторов напряжения и других факторов, т. е. не
является постоянной материала. Испытания на ударный изгиб выявляют
склонность металла к хрупкому разрушению.
Хладноломкость не включается в систему факторов, определяющих
надѐжность конструкции, однако является очень важной характеристикой,
поскольку позволяет рекомендовать температуры, ниже которых применять
материал нельзя.
Page 40
3.2.4. Усталость металлов
В технике часто приходится сталкиваться с так называемой усталостью
металлов, возникающей под действием переменной нагрузки и приводящей к
преждевременному разрушению деталей машин и конструкций. Усталость
металлов – разрушение в результате многократных повторных нагружений, т. е.
от циклической нагрузки ζ. Эта нагрузка должна быть ниже предела текучести
ζ0,2. Для усталостного разрушения некоторых сталей достаточно напряжения в
(0,45–0,50) ζ0,2.
Процесс разрушения связан с накоплением дефектов в кристаллической
решѐтке, приводящим сначала к местному разрушению – возникновению
микротрещин. Первоначально процесс развивается медленно, а затем, когда
живое сечение образца ослабнет настолько, что напряжения превысят предел
текучести, происходит внезапное разрушение.
Для характеристики степени утомляемости материала введено понятие
предела усталости или предела выносливости – максимального напряжения,
которое выдерживает материал, не разрушаясь при достаточно большом числе
циклов нагружения. Для железа и его сплавов обычно берут 10 млн. циклов
нагружения, для цветных металлов – 100 млн.
На усталостную прочность стали, кроме структуры, сильное влияние
оказывает качество поверхности образца. Упрочнѐнная химико-термической
обработкой или полированная поверхность, для которой характерно
уменьшение количества и глубины надрезов, являющихся концентраторами
напряжений, обладает существенно более высоким пределом выносливости по
сравнению с необработанной поверхностью. Вместо дорогостоящей полировки
часто используется обдувка изделий мелкой стальной или чугунной дробью.
Эта операция не только устраняет мелкие неровности на поверхности, но и
создаѐт в поверхностном слое напряжения сжатия, т. е. напряжения, обратные
напряжениям растяжения в эксплуатации. Обдувка дробью в несколько раз
повышает долговечность изделий.
Металл может разрушаться также под действием многократных повторных
температурных напряжений. Это явление получило название термической
усталости. При быстром нагреве наружные слои детали оказываются в сжатом
состоянии, а внутренние – в растянутом. При охлаждении знак напряжений
меняется. В конечном счѐте деталь разрушается.
Существовавшее мнение «если прочнее вообще, то прочнее и при
усталости» не подтвердилось. Поэтому испытание на усталость очень важно.
Схему испытаний желательно выбирать ближе к условиям нагружения реальной
конструкции, с учѐтом температуры и агрессивности среды.
3.3. Влияние температуры на прочностные и пластические свойства металлов. Ползучесть, длительная прочность
Так как многие узлы машин и конструкций работают при очень высоких
или очень низких температурах, необходимо знать зависимость свойств
металлов от температуры. С понижением температуры свойства изменяются
следующим образом: как правило, предел прочности, пределы упругости и
Page 41
текучести, твѐрдость повышаются, а удлинение, уменьшение поперечного
сечения при разрыве и сопротивление удару падают. Кристаллические металлы
в отличие от аморфных тел сохраняют свою способность к пластической
деформации вплоть до абсолютного нуля. Аморфные тела становятся
совершенно хрупкими, как только прекращается тепловое движение атомов.
По-видимому, пластичность аморфных тел связана только с хаотическим
тепловым движением атомов, в то время как у кристаллических металлов
существует еще другой вид пластичности, связанный с массовым
кристаллографически ориентированным перемещением атомов – сдвигами.
Необходимо отметить, что у некоторых металлов, к числу которых
относится железо и молибден, с понижением температуры пластичность очень
резко падает. Наиболее вероятной причиной хладноломкости железа является
содержание в нѐм фосфора, азота и других примесей даже в небольших
количествах.
При повышении температуры пределы упругости, текучести, прочности и
твѐрдость падают, а сопротивление удару, удлинение и уменьшение поперечного
сечения при разрыве растут. С повышением температуры начинает проявляться
способность металлов к очень медленному, но непрерывному изменению
размеров под действием сравнительно слабых постоянных по времени
напряжений. Металл удлиняется, «ползет». Это явление известно под названием
«ползучести». Постепенное удлинение металла сопровождается появлением
микропустот и трещин, концентрацией напряжений вокруг них и в результате
приводит к разрыву. С явлением ползучести необходимо считаться при выборе
материала для деталей турбин, авиационных двигателей, энергетических
установок, работающих при высоких температурах.
Положив в основу срок службы изделий, обычно задаются максимально
допустимой скоростью деформации вследствие ползучести. Напряжение,
которое вызывает эту скорость деформации при определѐнной температуре,
называют условным пределом ползучести. Предел ползучести обозначают
знаком ζ с числовыми индексами. Например: 800101 4
обозначает предел
ползучести при скорости ползучести 1·10-4
%/ч при 800оС; 800
10010 /,означает
предел ползучести при допуске на деформацию 0,1 % за 100 часов испытания
при 800 оС. Понятно, что предел ползучести для любого металла зависит не
только от температуры, но, и в очень большой степени от микроструктуры
материала, в частности, природы и состояния прослоек по границам зѐрен.
В технике наряду с понятием ползучести широко используется понятие
длительной прочности. Под ним подразумевают величину напряжения,
вызывающего при данной температуре через определѐнное время разрушение
металла. Часто определяют 100-часовую или 1 000-часовую прочность.
Например, 8001000
означает предел длительной прочности за 1 000 часов при
800 оС.
Page 42
3.4. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла
Деформация металлов, вызывающая увеличение количества нарушений
кристаллического строения, повышает свободную энергию металла, т. е. делает
его термодинамически неустойчивым. Поэтому в металле, особенно при
нагреве, самопроизвольно протекают процессы, приводящие его в более
устойчивое состояние с меньшей свободной энергией. При нагреве
деформированного металла в нѐм протекают процессы возврата и
рекристаллизации. Под возвратом понимают частичное возвращение
искажѐнной решѐтки к нормальному состоянию. Различают две стадии
возврата: отдых и полигонизацию. В процессе отдыха, протекающего при
температурах ниже 0,2 от абсолютной температуры плавления, наблюдается
повышение структурного совершенства наклѐпанного металла : поглощение
вакансий и межузельных атомов дислокациями, сток вакансий к границам
зѐрен, аннигиляция дислокаций противоположных знаков и т. д. В процессе
первой стадии возврата новых субграниц не образуется.
На второй стадии – полигонизации, протекающей при более высоких
температурах, чем первая (обычно при (0,25–0,3)Тпл), но при более низких, чем
рекристаллизация, происходит дробление зѐрен по плоскостям скольжения или
по внутризѐренным поверхностям раздела на части – субзѐрна (полигоны).
В процессе возврата механические свойства изменяются мало,
электросопротивление восстанавливается полностью.
При нагреве наклѐпанного металла до температуры, составляющей для
технически чистых металлов примерно 0,4Тпл (правило А.А. Бочвара),
наблюдается зарождение новых с менее искажѐнной решѐткой зѐрен и их рост
за счѐт деформированных. Процессы образования и роста новых зѐрен
получили название рекристаллизации обработки, или первичной
рекристаллизации, а наименьшая температура, при которой начинается
рекристаллизация, – температурного порога рекристаллизации.
Для химически чистых металлов температура начала рекристаллизации
снижается до (0,1–0,2)Тпл, а для сплавов может достигать значений (0,5–0,6)Тпл
и более высоких.
В результате первичной рекристаллизации наклѐп практически полностью
снимается. Плотность дислокаций снижается с величины 1010
–1012
см-2
на 4
порядка. Для ускорения процесса рекристаллизации металл нагревают до
температур, несколько превышающих температурный порог рекристаллизации
(рекристаллизационный отжиг). После завершения первичной
рекристаллизации при повышении температуры происходит рост одних новых
кристаллов за счѐт других, тоже новых кристаллов. Этот процесс получил
название вторичной, или собирательной рекристаллизации.
Наклеп, или нагартовка – упрочнение металлов и сплавов пластическим
деформированием. – Прим. авт.
Page 43
На рис. 21 схематически показано изменение механических свойств в
зависимости от температуры нагрева деформированного металла, т. е. по мере
возврата и рекристаллизации. В результате рекристаллизации механические
свойства резко изменяются: предел прочности, пределы упругости и текучести,
твѐрдость уменьшаются, а пластические свойства (относительное удлинение,
относительное сужение) и сопротивление удару повышаются.
Изменяя свойства в
направлении, обратном тому, в
котором они изменялись в
процессе деформации, возврат и
рекристаллизация делают
возможным продолжение
механической обработки
наклѐпанных и ставших хрупкими
в результате деформации
металлов и сплавов. В этом
заключается большая польза
рекристаллизации в технологии
обработки металлов.
Однако при неправильно
выбранных режимах обработки,
рекристаллизация, вызывая
сильный рост и неблагоприятную
ориентировку кристаллов
(перегрев), может принести большой вред. В ряде случаев рекристаллизацией
намеренно выращивают крупные зѐрна металла, например, для улучшения
магнитных свойств трансформаторной кремнистой стали.
Интересно отметить, что для некоторых металлов температура
рекристаллизации ниже комнатной. Например, для свинца она составляет минус
30 оС, для олова – минус 70
оС. Поэтому деформация подобных металлов при
комнатной температуре будет являться для них горячей обработкой давлением.
Другое дело вольфрам. Для него обработка давлением даже при температуре
1 000–1 100 оС является холодной технологической операцией, поскольку
температура его рекристаллизации составляет 1 200 оС.
Размер зерна после холодной пластической деформации и
рекристаллизации определяется температурой и продолжительностью
рекристаллизационного отжига, степенью предварительной деформации,
размером исходного зерна, химическим составом сплава, наличием
нерастворимых примесей и другими факторами. Малые степени деформации не
вызывают рекристаллизацию металла при его нагреве. При деформации 3–15 %
размер зерна после отжига резко возрастает и может многократно превосходить
размер исходного зерна. Эта степень деформации называется критической.
Нагрев металла после критической степени деформации не приводит к
зарождению новых зѐрен и их росту. Он вызывает только быстрый рост одних
исходных нерекристаллизованных и менее деформированных зѐрен за счет
Рис. 21. Характер изменения механических
свойств наклѐпанного металла в зависимости
от температуры отжига
Page 44
других, более деформированных, обладающих повышенной свободной энергией.
Если степень деформации больше критической, происходит первичная
рекристаллизация.
В случае высоких степеней деформации возникает текстура, которая может
явиться при последующем нагреве металла причиной формирования текстуры
рекристаллизации. Образовавшиеся новые зѐрна характеризуются
преимущественной кристаллографической ориентацией. Металл в этом случае
обладает анизотропией свойств.
Наряду с холодной деформацией, о которой упоминалось выше, широко
распространена и горячая деформация. Их отличие состоит в том, что холодная
деформация проводится ниже температур рекристаллизации, а горячая – выше,
при 0,7–0,75Тпл. Горячая деформация, как и холодная, вызывает упрочнение –
«горячий наклѐп», который частично или полностью снимается
рекристаллизацией при температурах обработки и последующем охлаждении.
При горячей обработке давлением процесс упрочнения в результате наклѐпа
чередуется с процессом разупрочнения за счѐт рекристаллизации.
Если металл после деформации обладает частично рекристаллизованной
структурой, то такую обработку называют тѐплой деформацией или неполной
горячей.
3.5. Деформация и разрушение металлов
Под действием приложенных сил металл деформируется, т. е. изменяет
размеры и форму. Следует отметить, что деформация вызывается не только
действием внешних сил, приложенных к телу, но и процессами, протекающими
в самом теле, например, в результате температурного градиента, фазовых
превращений. Деформация, как уже отмечалось, может быть упругой и
пластической. Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки, и еѐ
влияние, таким образом, полностью устраняется.
Выше определѐнных нагрузок деформация становится необратимой: после
снятия нагрузки устраняется только упругая составляющая деформации.
Сохраняющуюся часть деформации называют пластической, или остаточной.
Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.
Скольжение – смещение одной части кристалла относительно другой.
Двойникование – переориентировка части кристалла в положение,
симметричное по отношению к другой части кристалла относительно
плоскости, называемой плоскостью двойникования. Как скольжение, так и
двойникование сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл.
Пластическая деформация приводит к упрочнению металла, получившему
название наклѐпа, или нагартовки. При этом пластические свойства металла
понижаются. Скольжение происходит по плоскостям и направлениям с
наиболее плотной упаковкой атомов, что связано с тем, что расстояние между
соседними атомными плоскостями наибольшее, а связь между ними,
следовательно, наименьшая. Более высокой пластичностью обладают металлы,
в которых больше возможных плоскостей и направлений скольжения. Поэтому
металлы с кубической структурой легче поддаются различным способам
Page 45
деформации – прокатке, штамповке и т. п. – по сравнению с металлами,
имеющими гексагональную структуру. При высоких степенях деформации
плотность дислокаций достигает 1011
–1012
см-2
, т. е. возрастает на 4–6 порядков
по сравнению с исходным состоянием.
При пластической деформации каждое зерно металла претерпевает
структурные изменения. Если до деформации зѐрна имели округлую форму, то в
результате деформации они вытягиваются в направлении действующих сил.
При этом происходит дробление зѐрен.
При большой деформации формируется преимущественная
кристаллографическая ориентировка зѐрен. Такая закономерная ориентировка
кристаллитов относительно внешних деформирующих сил получила название
текстуры деформации . Образование текстуры сопровождается анизотропией
свойств.
При приложении к изделию достаточно высоких напряжений оно
разрушается. Разрушение начинается с зарождения микротрещины,
обусловленного чаще всего скоплением движущихся дислокаций, еѐ роста до
критического размера и самопроизвольным распространением трещины через
всѐ сечение изделия. Выше уже упоминалось два вида разрушения: вязкое и
хрупкое. Для хрупкого разрушения характерна незначительная пластическая
деформация и высокая скорость распространения трещины, близкая к скорости
звука. Такое разрушение называют «катастрофическим», или «внезапным».
Для вязкого разрушения характерна значительная пластическая
деформация и малая скорость распространения трещины. Трещина может
распространяться по телу зерна (транскристаллитное разрушение) и по его
границам (интеркристаллитное разрушение). Транскристаллитное разрушение
наблюдается как в случае вязкого, так и хрупкого разрушения.
Интеркристаллитное разрушение всегда является хрупким и обусловлено
обычно выделением хрупкой фазы по границам зѐрен. О характере разрушения
можно визуально судить по внешнему виду излома. Если излом волокнистый
(матовый) – разрушение вязкое; если кристаллический (блестящий) –
разрушение хрупкое. Вязкое разрушение имеет «чашечное» строение
поверхности излома, хрупкое – «ручьистое».
Текстура деформации – преимущественная кристаллографическая
ориентировка зѐрен. – Прим. авт.
Page 46
ГЛАВА 4. ВЗАИМООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ В ДВОЙНЫХ СПЛАВАХ
При сплавлении двух металлов в большинстве случаев образуется
однородный жидкий раствор при любом соотношении компонентов. Гораздо
реже имеет место образование двух несмешивающихся жидких растворов
ограниченной концентрации (системы «свинец – медь», «свинец – алюминий»,
«натрий – алюминий» и др.).
В случае образования однородного жидкого раствора при кристаллизации
сплава возможны три типа взаимоотношений компонентов:
образование однородного твѐрдого кристаллического раствора;
образование смеси двух различных видов твѐрдых растворов
ограниченной концентрации;
образование химических соединений.
Твѐрдый раствор – это фаза, в которой один из компонентов сохраняет
свою кристаллическую решѐтку, а атомы другого или других компонентов
располагаются в решѐтке первого компонента (растворителя). Различают три
типа твѐрдых растворов: твѐрдые растворы замещения, твѐрдые растворы
внедрения и твѐрдые растворы вычитания. В твѐрдых растворах замещения
атомы растворѐнного вещества входят в кристаллическую решѐтку
растворителя, замещая места его атомов.
Из самого понятия твѐрдого раствора замещения следует принципиальная
возможность образования этих растворов как ограниченной концентрации, т. е.
до определенной предельной концентрации второго компонента (образование
ограниченных твѐрдых растворов), так и при любом соотношении компонентов
(образование неограниченных твѐрдых растворов).
Образование неограниченных твѐрдых растворов возможно в том случае,
если компоненты имеют одинаковый тип кристаллической решѐтки, а размеры
их атомов отличаются не более чем на 9–15 %. При этом элементы, далеко
отстоящие друг от друга в периодической системе по вертикали или сильно
отличающиеся по строению атома, не образуют твѐрдых растворов даже в том
случае, если выполняются указанные выше два условия. Неограниченно
растворяются в твѐрдом состоянии металлы с ГЦК решѐткой: медь и никель,
железо и никель, золото и серебро и др.
Атомы растворяемого вещества в кристаллической решѐтке растворителя
могут располагаться в произвольном либо строго определѐнном порядке. В
первом случае твѐрдые растворы называют неупорядоченными, во втором –
упорядоченными твѐрдыми растворами или сверхструктурами. Упорядоченные
твѐрдые растворы получаются только при определѐнных соотношениях чисел
атомов обоих компонентов: 1 : 1, 2 : 1, 3 : 1 и т. п. Так, например, при получении
сплавов меди с золотом одни плоскости решѐтки могут оказаться сплошь
занятыми атомами золота, а другие – атомами меди. Таким сплавам можно
приписать формулу химического соединения, например, Cu3Au или CuZn.
Процесс упорядочения строения твѐрдого раствора сопровождается
изменением механических, магнитных и электрических свойств. По существу,
Page 47
упорядоченные твѐрдые растворы представляют собой фазы, промежуточные
между интерметаллическими соединениями (химические соединения металлов
друг с другом, другое название – интерметаллиды) и неупорядоченными
твѐрдыми растворами.
Если диаметр атома растворяемого вещества больше диаметра атома
растворителя, параметр кристаллической решѐтки увеличивается, если меньше
– уменьшается.
В твѐрдых растворах внедрения атомы растворѐнного вещества внедряются
в междоузлия (пустоты) кристаллической решѐтки растворителя. Из понятия
твѐрдого раствора внедрения следует принципиальная невозможность
образования твѐрдых растворов при любых соотношениях двух элементов. На
самом деле атомы основного компонента остаются в узлах решѐтки, а
количество пустот в решѐтке ограничено. Возможно образование твѐрдых
растворов лишь до предельной концентрации.
Твѐрдые растворы внедрения образуются обычно между металлом-
растворителем и неметаллом, имеющим гораздо меньший атомный объѐм.
Легко внедряются в решѐтку металла-растворителя водород, бор, углерод и азот.
Параметры решѐтки при образовании твѐрдых растворов внедрения всегда
увеличиваются.
Получение твѐрдых растворов возможно не только на базе
кристаллических решѐток чистых металлов, но и на базе химических
соединений, которые образуются не только между металлами, но и между
металлами и неметаллами. Многие из этих соединений обладают переменным
составом или, по-другому, – областью гомогенности. Например, область
гомогенности карбида титана при температуре 1 750 оC простирается от 33 до
50 ат. % С, т. е. от состава ТiC0,5 до состава ТiС. Увеличение содержания титана
в карбиде, т. е. образование твѐрдого раствора на основе ТiС, достигается не
замещением атомов углерода атомами титана, а изъятием атомов углерода из
некоторого числа узлов решѐтки, которые после этого остаются свободными.
Отсюда и название подобного рода твѐрдых растворов – растворы вычитания.
Наличие области гомогенности часто делает невозможным или неточным
указание формулы соединения, особенно в том случае, если оно способно к
диссоциации.
Смеси двух видов кристаллических растворов – второй вид
взаимоотношения между компонентами сплавов. Число сплавов,
распадающихся при кристаллизации на смесь различных кристаллов, очень
велико. Этот тип сплавов получается в том случае, когда в системе не
образуются неограниченные твѐрдые растворы.
Примером смеси различных кристаллов является эвтектика,
представляющая кристаллический конгломерат двух или большего числа
твѐрдых фаз, образующихся одновременно в результате распада жидкой фазы.
Смеси двух различных видов твѐрдых растворов ограниченной концентрации
образуются в системах: «олово–свинец», «свинец–сурьма», «серебро–медь»,
«золото–платина» и др. Сплавы типа смесей рассмотрены в разделе о
диаграммах состояния.
Page 48
Третий вид взаимоотношения между компонентами сплава при
затвердевании – образование химических соединений. Выше отмечено, что
химические соединения образуются как между металлами (интерметаллические
соединения), так и между металлами и неметаллами. Кристаллические решѐтки
химических соединений принадлежат обычно к другому типу, в отличие от
решѐток компонентов. Химические соединения металлов друг с другом, в
отличие от твѐрдых растворов, образуются главным образом в том случае, когда
металлы в периодической системе расположены далеко друг от друга. При этом
компоненты могут иметь как одинаковую, так и различную по типу решѐтки.
Существует несколько различных типов интерметаллических соединений и
соединений металлов с неметаллами. С точки зрения химика, простейшим
типом химических соединений являются соединения с нормальной
валентностью. В качестве примера можно привести соединения магния: Mg2Ge,
Mg2Sn, Mg2Pb, Mg3As2, Mg3Sb2, Mg3Bi2, Mg3P2 и др.
В большинстве случаев формулы химических соединений не отвечают
валентности компонентов. Примером таких соединений являются
интерметаллиды, получившие название «электронных» соединений. Эти
соединения характеризуются определѐнным отношением числа валентных
электронов к числу атомов. Существует ряд соединений, у которых это
отношение равно 3/2 (например, CuZn, Cu3Al, Cu5Sn), у других – 21/13 (Сu5Zn8,
Сu9А14, Сu31Sn8 и др.), у третьих – 7/4 (СuZn3, Cu5Al3 , Сu3Sn и др.).
Каждому отношению числа валентных электронов к числу атомов
соответствует определенный тип кристаллической решѐтки. Это обстоятельство
указывает на то, что величина этого отношения в пределах рассматриваемого
класса соединений играет большую роль, чем обычная валентность
компонентов. Многие соединения способны растворять в твѐрдом состоянии
избыток каждого из компонентов и в результате образовывать фазы
переменного состава.
В очень большом количестве химических соединений не соблюдаются ни
нормальная валентность, ни постоянство отношения чисел электронов и
атомов.
Огромную роль в современном материаловедении играют фазы внедрения.
Фазы внедрения – фазы, представляющие собой химические соединения
переходных металлов с водородом (гидриды), углеродом (карбиды), азотом
(нитриды) и другими элементами с малым атомным радиусом. Фазы внедрения
образуются, если отношение атомных радиусов неметалла Rх и металла Rм –
Rх/Rм < 0,59. В этом случае решѐтка соединения строится следующим образом:
атомы металла располагаются по типу одной из простых решѐток
(гранецентрированной, или объѐмно-центрированной кубической, или простой,
или компактной гексагональной), а атомы неметалла внедряются в
междоузлиях. Твѐрдые растворы внедрения, рассмотренные выше, образуются
при значительно меньшей концентрации неметаллического компонента и имеют
решѐтку металла-растворителя. Кристаллические решѐтки фаз внедрения, как
правило, отличаются от решѐток металлов, из которых они образовались.
Page 49
Состав фаз внедрения обычно соответствует формулам М4Х, М2Х и МХ,
где М – атом металла, X – атом неметалла. Типичными представителями фаз
внедрения являются ТiС, ZrС, WС, ТiN, ZrN, WN и многие другие. Все эти
фазы очень твѐрды и тугоплавки, что определяет их применение в качестве
сверхтвѐрдых инструментальных материалов.
Если отношение Rх/Rм > 0,59, образуются соединения с более сложными
структурами (например, карбиды железа, марганца или хрома). Эти соединения
не являются фазами внедрения.
Многие фазы внедрения отличаются переменным составом и в случае
однотипных решѐток образуют между собой неограниченные твѐрдые растворы
(например, ТiС–VС, ТiС–ТiN и др.).
Page 50
ГЛАВА 5. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ И СТРУКТУРЫ ДВОЙНЫХ СПЛАВОВ
Диаграмма состояния – графическое изображение фазового состояния
сплавов в зависимости от концентрации компонентов и температуры. Это
понятие охватывает и равновесные и неравновесные состояния, например,
переохлаждѐнные или перегретые. С понятием «диаграмма состояния» не
следует отождествлять понятие «диаграмма равновесия фаз», которое отражает
равновесное состояние системы, т. е. состояние, когда в системе все
превращения полностью завершились. Диаграммами равновесия фаз являются
теоретически выведенные диаграммы состояния, так как в экспериментальных
исследованиях, как правило, не достигается состояния равновесия и изучаются
превращения с различным приближением к этому состоянию.
Тем не менее, диаграммы, построенные по экспериментальным данным в
условиях медленного изменения температуры, хорошо согласуются с
теоретически построенными диаграммами состояния. Такие экспериментально
построенные диаграммы в первом приближении можно считать диаграммами
равновесия фаз, что позволяет применять к ним общие законы равновесия фаз.
В связи с созданием новых материалов интерес к исследованию и
применению диаграмм состояния постоянно возрастает. Уместно заметить, что
до сих пор приходится встречать теоретически невозможные диаграммы.
Контроль правильности диаграмм состояния, построенных в условиях, близких
к равновесию, осуществляется при помощи правила фаз Гиббса и положений,
основанных на нѐм.
Правило фаз Гиббса – закон термодинамики, который для любой
термодинамически равновесной системы устанавливает количественную
зависимость между вариантностью, т. е. числом термодинамических степеней
свободы системы C, числом компонентов, образующих систему, – K и числом
находящихся в равновесии фаз Ф:
C = K + 2 − Ф.
В этом уравнении 2 – число внешних параметров, влияющих на состояние
сплава, – температура и давление. Эти два параметра имеют главнейшее
значение из внешних факторов. Число степеней свободы, или вариантность
системы, указывает число независимых переменных, при изменении которых
число фаз, находящихся в равновесии, не изменяется.
Для тех читателей, которые не знакомы с правилом фаз из физической
химии или другой дисциплины, дадим определение понятий «фаза» и
«компоненты». Под фазой понимают те части системы, внутреннее строение
которых из атомов одинаково и концентрация всех компонентов статистически
постоянна. Одна фаза всегда отделена от другой фазы поверхностью раздела.
Так, жидкий сплав является однофазной системой, а одновременное присутствие
жидкого сплава и кристаллов, разграниченных поверхностью раздела,
представляет двухфазную систему. Следует иметь в виду, что наличие
поверхности раздела между частями системы не всегда указывает на
существование разных фаз. Например, совокупность всех кристаллов
Page 51
определѐнного состава и одинакового кристаллического строения является
одной фазой, несмотря на наличие между кристаллами поверхности раздела.
Компонентами называются вещества, образующие сплавы.
Одно из последних определений понятий «фаза» и «компоненты»
сформулировано так: «Фазой называют гомогенную часть гетерогенной
системы или совокупность нескольких частей, разобщѐнных поверхностями
раздела, одинаковых по химическому составу, строению и свойствам, которые
не зависят от массы фазы. Компонентами фазы называют индивидуальные
вещества, способные существовать в изолированном виде, наименьшее число
которых достаточно для образования всех фаз системы». Таким образом,
компонентами называют не общее число составляющих систему веществ, а
такое их число, которое достаточно для выражения состава любой фазы
системы.
Диаграммы состояния конденсированных систем, к которым относится
большинство металлических, представляют собой, как правило, изобарические
сечения диаграмм «температура – состав – давление» при нормальном давлении
P = 98,1 кПа. Небольшое отклонение от этого давления не оказывает
существенного влияния на фазовый состав конденсированной системы,
поскольку из-за малой упругости паров наличием парообразной фазы с
достаточным основанием можно пренебречь. Поэтому при фиксированном
давлении во внимание принимается только один внешний фактор –
температура, и правило фаз принимает упрощѐнную формулу:
C = K + 1 − Ф.
Следовательно, для системы из двух компонентов вариантность будет:
С = 3 − Ф.
В настоящей главе рассматриваются простейшие диаграммы состояния,
каждая из которых характеризуется своим видом взаимоотношения
компонентов:
диаграмма состояния системы, в которой компоненты образуют
непрерывный ряд твѐрдых растворов;
диаграмма состояния эвтектического типа;
диаграмма состояния перитектического типа;
диаграммы состояния систем, в которых компоненты образуют
химические соединения.
Хотя указанные разновидности диаграмм состояния относятся к
простейшим, более сложные диаграммы состояния, однако, не представляют
чего-либо принципиально нового по сравнению с простейшими.
Применение правила фаз к анализу диаграмм состояния рассмотрено на
некоторых примерах ниже.
5.1. Диаграмма состояния системы, в которой компоненты образуют непрерывный ряд твѐрдых растворов
Диаграмма состояния указанного типа приведена на рис. 22, на котором
стрелками показано изменение составов твѐрдой и жидкой фаз с понижением
температуры.
Page 52
На оси ординат отложена температура, а на оси абсцисс – концентрация
компонентов А и В. Концентрация компонента В отсчитывается слева направо, а
концентрация компонента А – справа налево. Сумма концентраций компонентов
А и В в любой точке диаграммы равна 100 %. Верхняя линия, соответствующая
началу кристаллизации сплавов, называется линией ликвидуса (от лат. liqvidus –
жидкий). Выше этой линии сплавы находятся в жидком состоянии (область ж).
Нижняя линия, соответствующая концу кристаллизации, называется линией
солидуса (от лат. solidus – твѐрдый). Ниже этой линии все сплавы находятся в
твѐрдом состоянии (α-твѐрдый раствор – область α).
а) б)
Рис. 22. Диаграмма состояния сплавов для случая неограниченной
растворимости компонентов в твѐрдом состоянии: а) кривые охлаждения
чистого металла A и сплава 1;
б) структура сплава состава C в зависимости от температуры (схема)
Между линиями ликвидуса и солидуса лежит область совместного
существования двух фаз (ж + α).
На линии ликвидуса жидкость насыщена относительно твѐрдой фазы,
кристаллы которой начинают выделяться из неѐ при малейшем понижении
температуры. Сказанное относится и к линии солидуса. Ниже этой линии
твѐрдые растворы устойчивы достаточно долгое время. При малейшем
повышении температуры появляется жидкость.
В рассматриваемой системе возможно только одно равновесие между ее
фазами – двухфазное равновесие между жидким и твѐрдым растворами
(ж ↔ α).
Проследим за кристаллизацией сплава, ордината которого на рис. 22
обозначена цифрой 1. Пока не достигнута точка l1, т. е. выше линии ликвидуса,
жидкость остается однородной, а состав ее одинаков с составом
рассматриваемого сплава (C). В точке l1, отвечающей температуре Т1, жидкость
оказывается насыщенной относительно α-твѐрдого раствора. При малейшем
понижении температуры из нее начнут выделяться кристаллы твѐрдого
раствора. Их состав определится точкой s1 – пересечением изотермической
прямой, проведѐнной через точку l1, с кривой солидуса.
Page 53
При дальнейшем охлаждении составы твѐрдой фазы и жидкости будут
непрерывно изменяться, перемещаясь по линии солидуса и ликвидуса. При
этом по мере выделения кристаллов, точка состава жидкой фазы будет
удаляться от точки состава исходного сплава, а точка состава твѐрдого раствора
всѐ более приближаться к ней.
На первый взгляд может показаться, что состав выпадающих кристаллов не
должен отличаться от состава жидкости. Однако это не так. При температуре
начала кристаллизации в равновесии с жидкостью будут находиться такие
кристаллы, которые, взятые сами по себе, начали бы плавиться при переходе
через эту температуру. Выделение кристаллов, обогащѐнных в
рассматриваемом случае компонентом В, приводит к тому, что остающаяся
жидкость беднеет этим компонентом, т. е. еѐ состав сдвигается влево от состава
исходного сплава. Так, при температуре Т2 состав жидкости отвечает точке жС2
.
В равновесии с этой жидкостью будут уже не кристаллы состава 1
С , а
кристаллы 2
С , более богатые компонентом А. Таким образом, состав прежде
выпавших кристаллов 1
С посредством диффузии переместится влево, как это
показывает кривая солидуса. Средний состав сплава при этом, конечно, не
меняется.
Отрезки l1s1, l2s2, ..., соединяющие составы находящихся в равновесии фаз,
называют конодами. В точках плавления компонентов А и В коноды
вырождаются в точку.
По мере охлаждения масса жидкости непрерывно уменьшается, а
количество кристаллов растет. Соотношение жидкой и твѐрдой фаз при любой
температуре можно вычислить по правилу отрезков (рычага).
Согласно этому правилу, например, массовое или объѐмное количество
твѐрдой фазы определяется как отношение длины отрезка, примыкающего к
составу жидкой фазы, к длине всей коноды. Аналогично количество жидкой
фазы определится как отношение длины отрезка, примыкающего к составу
твѐрдой фазы, к длине коноды. При температуре Т2, следовательно, количество
-твѐрдых кристаллов в процентах составит nl2 / l2 s2·100, а количество жидкой
фазы – ns2 / l2s2·100.
При температуре Т3 последние остатки жидкости, отвечающей составу жС3
,
исчезнут, а состав твѐрдой фазы определится точкой С, т. е. будет отвечать
составу исходного сплава.
При нагреве сплава пpoцeссы в нем будут происходить в обратной
последовательности. Важно, чтобы скорость охлаждения сплава или скорость
его нагрева были такими, чтобы обеспечить завершение протекающих в нѐм
изменений.
Анализируя равновесие между жидким и твѐрдым растворами (ж↔α) в
системе, представленной на рис. 22, можно отметить следующие особенности.
Так как выше линии ликвидуса система представлена только одной фазой –
жидкой, вариантность системы будет равна двум (C = 3 − 1 = 2). Это означает,
что обе переменные – и температура, и концентрация, которыми определяется
Page 54
подобное состояние системы, независимы. На диаграмме состояния в
соответствии с этим жидкости отвечает двумерная область существования (по
числу независимых переменных). Другими словами, согласно правилу фаз,
когда система имеет две степени свободы, можно изменять и температуру, и
концентрацию. При этом система не выходит из области существования жидкой
фазы.
Совершенно аналогичные рассуждения правомерны для однофазной
области твѐрдого раствора.
При кристаллизации или плавлении твѐрдого раствора система состоит из
двух фаз и имеет одну степень свободы (C = 3 − 2 = 1). В этом случае мы
можем, не уничтожая состояния равновесия двух фаз, а только смещая его,
изменять температуру. Понятно, что каждой температуре будет отвечать уже
вполне определѐнное состояние системы. В данном случае только температура
является независимой переменной, а две другие – составы твѐрдой и жидкой
фаз – еѐ функциями.
Кристаллизация (плавление) твѐрдого раствора происходит в интервале
температур, о величине которого в сплавах разных концентраций правило фаз
ничего «сказать не может». Только на ординатах, соответствующих чистым
компонентам, в точках пересечения ликвидуса и солидуса, этот интервал
вырождается в точку. Система становится однокомпонентной, и степень
свободы еѐ при переходе из жидкого состояния в твѐрдое (или наоборот)
становится равной нулю. Это означает, что превращение в сплаве начинается и
заканчивается при постоянной и строго определѐнной температуре.
Сказанное иллюстрируется кривыми охлаждения, приведѐнными на рис.
22. Видно, что чистый металл A (как и B) затвердевает при постоянной
температуре. Все сплавы промежуточного состава дают качественно
одинаковые кривые охлаждения. На них, как это показано на кривой
охлаждения сплава 1, будут видны два перелома: верхний перелом
соответствует началу кристаллизации, а нижний – концу кристаллизации.
По кривым охлаждения для серии сплавов от состава A до состава B можно
построить диаграмму состояния. Для этого отложим на ординатах каждого
сплава температуры начала и конца кристаллизации. Соединив одной кривой
температуры начала кристаллизации, а другой – температуры конца еѐ, получим
линии ликвидуса и солидуса.
Метод построения диаграмм состояния по кривым охлаждения называется
термическим анализом.
5.2. Диаграмма состояния эвтектического типа
На рис. 23 приведен общий случай диаграммы состояния эвтектического
типа, когда компоненты способны растворять друг друга в твѐрдом состоянии
до некоторого предела. Здесь линия А'еВ' – линия ликвидуса, линия А'abВ' –
линия солидуса. Линия аа0 показывает изменение растворимости компонента В
в А с изменением температуры, а линия bb0 – компонента А в В. Эти линии
получили название линий предельной растворимости. Точки а и b
характеризуют максимальную растворимость компонентов друг в друге в
Page 55
твѐрдом состоянии, а точки а0 и b0 – предельную растворимость при комнатной
температуре.
Точка e пересечения двух ветвей
ликвидуса А'е и B'e называется
эвтектической точкой, а горизонталь, на
которой лежит эвтектическая точка, –
эвтектической горизонталью. Сплав,
состав которого соответствует точке е,
называют эвтектическим (т. е. легко
расплавляющимся). Он кристаллизуется
при самой низкой температуре. Сплавы,
лежащие слева от эвтектической точки,
находящиеся в пределах концентрации
точек a и e, называют доэвтектическими,
а сплавы, лежащие по другую сторону от
неѐ, в пределах концентрации точек b и e, –
заэвтектическими.
Поле диаграммы состоит из
нескольких областей. В области ж сплавы
находятся в жидком состоянии, в области α
– в состоянии твѐрдого раствора
компонента В в компоненте А, в области β – в состоянии твѐрдого раствора
компонента А в В. В области ж + имеем смесь жидкости с кристаллами α-
твѐрдого раствора, в области ж + β – смесь жидкости с кристаллами β-твѐрдого
раствора, а в области α + β – смесь кристаллов двух твѐрдых растворов α и β.
Кроме указанных трѐх однофазных и трѐх двухфазных областей, на диаграмме
имеется трѐхфазная область. Это эвтектическая горизонталь аb, где
одновременно сосуществуют: жидкость состава точки е и твѐрдые растворы α и
β, составы которых определяются точками а и b соответственно.
Видно, что фрагменты представленной на рисунке диаграммы в области
составов, левее точки a0 и правее точки b0 аналогичны рассмотренной выше
диаграмме с неограниченной растворимостью компонентов в твѐрдом и жидком
состояниях. Поэтому кристаллизация сплавов в указанных областях составов
будет протекать точно так же, как и кристаллизация сплавов с полной взаимной
растворимостью компонентов. После затвердевания сплавы, лежащие левее
точки а0, будут состоять только из кристаллов твѐрдого раствора α, а сплавы,
лежащие правее точки b0, – из кристаллов β.
На примере сплава 1 проследим за кристаллизацией сплавов, ординаты
которых проходят левее точки а, но правее точки а0. Выше кривой ликвидуса
сплав представляет однородную жидкость. В точке l0 на кривой ликвидуса
сплав оказывается насыщенным относительно кристаллов α-твѐрдого раствора.
При дальнейшем охлаждении из расплава начинают выделяться α-кристаллы,
состав которых определяется точкой s0 пересечения горизонтали, проходящей
через точку l0, с кривой солидуса. С понижением температуры, вплоть до Т1,
составы жидкой и твѐрдой фаз будут непрерывно изменяться в соответствии с
Рис. 23. Диаграмма состояния системы, компоненты которой
образуют ограниченные твѐрдые растворы и эвтектику
Page 56
линиями ликвидуса (участок l0l1) и солидуса (участок s0s1). Количественное
соотношение фаз при той или иной температуре может быть вычислено по
упомянутому выше правилу отрезков. При температуре Т1 жидкость полностью
затвердевает, а состав α-кристаллов определится точкой s1. При последующем
охлаждении до Т2 сплав остается однородным твѐрдым раствором. В точке а1 α-
твѐрдый раствор становится насыщенным компонентом В. При дальнейшем
охлаждении из α-твѐрдого раствора начнут выделяться β-кристаллы. Их состав в
этот момент будет соответствовать точке b1 на кривой растворимости bb0.
Процесс выделения β-кристаллов будет продолжаться с понижением
температуры, причѐм составы α и β фаз будут изменяться: α-кристаллов – по
кривой а1а0, β-кристаллов – по кривой b1b0.
Аналогично рассмотренному будет протекать кристаллизация сплавов,
ордината которых проходит правее точки b, но левее точки b0. При этом с
понижением температуры из β-твѐрдого раствора начнут выделяться α-
кристаллы. Составы α и β фаз будут изменяться согласно линиям предельной
растворимости аа0 и bb0.
На примере сплава 2 (рис. 24) рассмотрим кристаллизацию
доэвтектических сплавов, ордината которых проходит между точками a и e, т. е.
пересекает эвтектическую горизонталь. При охлаждении до кривой ликвидуса
(точка l0) в сплаве не происходит фазовых
изменений. В интервале от Т0 до эвтектической
температуры Те будет протекать двухфазное
превращение ж↔α-твѐрдый раствор. В
момент достижения температуры Те состав
твѐрдого раствора определится точкой a, а
жидкости – точкой е. В точке е, являющейся
точкой пересечения двух ветвей ликвидуса,
сплав становится насыщенным как
компонентом А, так и компонентом В.
Следствием этого является одновременное
выделение твѐрдых растворов α и β. Так
начинается трѐхфазное эвтектическое
превращение ж↔α + β. Составы участвующих
в превращении фаз неизменны и, как уже было
отмечено, определяются точками: а – для α-
твѐрдого раствора, е – для жидкости, b – для β-твѐрдого раствора. Трѐхфазное
превращение протекает при постоянной температуре и заканчивается в тот
момент, когда затвердеет вся жидкость. Теперь сплав будет состоять из двух
твѐрдых фаз – α и β, между которыми устанавливается двухфазное равновесие
α↔β.
При дальнейшем понижении температуры составы α и β-твѐрдых
растворов будут непрерывно изменяться вдоль кривых аа0 и bb0 соответственно.
Из α-твѐрдого раствора начнут выделяться β кристаллы, а из β-твѐрдого раствора
– α-кристаллы. Как видно, процесс будет аналогичен рассмотренному выше при
охлаждении сплава 1 ниже точки а1 (см. рис. 23).
Рис. 24. К кристаллизации
сплавов, ордината которых
проходит через эвтектическую
горизонталь
Page 57
Кристаллизация заэвтектических сплавов, ордината которых проходит
между точками е и b, протекает аналогично кристаллизации доэвтектических
сплавов, рассмотренных на примере сплава 2. Только ниже линии ликвидуса
вместо α-кристаллов выделяются β-кристаллы, из которых при дальнейшем
охлаждении согласно кривой bb0 будут выделяться α-кристаллы.
В отличие от кристаллов, выпадающих непосредственно из жидкого
расплава до достижения эвтектической температуры и получивших название
первичных, кристаллы, выделившиеся из твѐрдого раствора, называют
вторичными. В рассматриваемом случае их обозначают символами αII и βII.
Из изложенного ясно, что в эвтектическом сплаве, т. е. сплаве 3 (рис. 24),
ордината которого проходит через эвтектическую точку е, затвердевание
жидкости начинается непосредственно одновременным выделением из нее α и
β-твѐрдых растворов. Таким образом, сразу начинается трѐхфазное
превращение ж↔α + β, за которым следует двухфазное равновесие α↔β. Смесь
одновременно закристаллизованных двух твѐрдых растворов α и β называют
эвтектической смесью или эвтектикой.
Согласно определению эвтектика – жидкая система, находящаяся в
равновесии с твѐрдыми фазами, число которых равно числу компонентов
системы [17]. При кристаллизации такой системы образуется механическая
смесь твѐрдых фаз того же состава (твѐрдая эвтектика).
Для уяснения особенностей распада фаз α и β, обусловленного
понижением температуры и сопровождающегося выделением фаз βII и αII,
подчеркнѐм следующее. При охлаждении доэвтектических сплавов в результате
неизбежного распада имеющейся в них β-фазы (заметим: присутствующей в
эвтектике и в виде вторичной фазы βII) также образуется и вторичная α-фаза
(αII). Эта фаза сливается с окружающими еѐ зѐрнами первичной фазы α и в виде
самостоятельной структурной составляющей в сплавах не наблюдается.
Поэтому на диаграмме состояния отмеченная особенность выделения αII не
указывается. То же самое можно сказать и о фазе βII при кристаллизации
заэвтектических сплавов.
Вторичные кристаллы αII и βII, выделяющиеся из эвтектических
составляющих, объединяются с соответствующими фазами эвтектики и поэтому
структурно не обнаруживаются.
Структуры некоторых сплавов приведены на рис. 25.
Рис. 25. Схема структур сплавов 1, 2 и 3 (см. рис. 23, 24) при комнатной
температуре
Page 58
Рассматривая представленную на рис. 23 диаграмму состояния с точки
зрения правила фаз, отметим следующие характерные особенности. Очевидно,
что трѐхфазному превращению ж↔α + β, т. е. одновременному выделению
твѐрдых фаз α и β из раствора ж, насыщенного обоими компонентами, должны
предшествовать двухфазные равновесия ж↔α и ж↔β.
Первое из равновесий описывается кривыми А'e и А'а и отвечает
выделению из жидкости кристаллов α-твѐрдого раствора. Второе описывается
кривыми B'e и B'b и отвечает выделению кристаллов β-твѐрдого раствора.
Вариантность превращений ж↔α и ж↔β определяется из правила фаз
согласно уравнению Габба C = 3 − 2 = 1. Одна степень свободы указывает на то,
что процесс кристаллизации как α-твѐрдого раствора, так и β-твѐрдого раствора
будет протекать в интервале температур. До тех пор пока жидкость насыщена
кристаллами только одного вида – α или β, протекает соответственно один из
двухфазных процессов.
Как только для составов, расположенных между точками a и b,
температура понизится до эвтектической, достигается некоторое новое
предельное состояние жидкости: она становится насыщенной одновременно
обоими видами кристаллов. Таким образом, в равновесии оказываются три
фазы постоянного состава: α- и β-кристаллы, составы которых соответствуют
точкам a и b, и жидкость эвтектического состава. Вариантность
двухкомпонентной системы, находящейся в трѐх фазах, равна нулю: C = 3 − 3 =
0. Поэтому эвтектическое превращение протекает при постоянной температуре.
5.3. Диаграмма состояния перитектического типа
Кроме рассмотренного эвтектического равновесия между жидкостью и
двумя твѐрдыми фазами ж↔α + β, в двойной системе возможно другое
трехфазное равновесие вида ж + α↔β, называемое перитектическим.
Перитектика (от греч. – плавлю,
расплавляю) – «жидкий раствор,
который может находиться при
данном давлении в равновесии с
двумя или более твѐрдыми фазами,
одни из которых при отнятии от
системы теплоты растворяются,
другие – выделяются. Число
твѐрдых фаз равно числу
компонентов системы, в
соответствии с чем различают
двойную перитектику, тройную и
т. д.». «Перитектикой также нередко
называют точку, в которой
пересекаются линии температур
начала кристаллизации двух твѐрдых
фаз в равновесии с жидкостью
перитектического состава».
Рис. 26. Диаграмма состояния
перитектического типа. К кристаллизации
сплавов 1, 2 и 3
Page 59
Диаграмма состояния перитектического типа приведена на рис. 26. Линия
А'рВ' соответствует линии ликвидуса, а линия А'аbВ' – линии солидуса. В
результате перитектического превращения при взаимодействии жидкости и
одного из ранее выделившегося твѐрдого раствора образуются кристаллы
другого твѐрдого раствора. Этим перитектическое превращение отличается от
эвтектического, где из жидкой фазы одновременно кристаллизуются две
твѐрдые.
Перитектическому превращению, как и эвтектическому, на диаграмме
состояния отвечают три точки: а, b и р. Точку р называют перитектической, а
температуру, при которой протекает трѐхфазное превращение, –
перитектической. Нетрудно увидеть, что на перитектической диаграмме
состояния, так же как и на эвтектической, имеются семь областей: ж, α, β, ж +
α, ж + β, α + β и горизонталь при температуре перитектики, на которой в
равновесии находятся фазы: α, β и жидкость.
Проследим механизм перитектического превращения на примере
кристаллизации трѐх сплавов, ординаты которых на рис. 26 обозначены
цифрами 1, 2 и 3. Кристаллизация сплава 1 начинается при температуре Т1
выделением кристаллов α-твѐрдого раствора. Этот процесс продолжается до
перитектической температуры Тр. Заметим, что точка р является точкой
пересечения кривых ликвидуса α и β-твѐрдых растворов. Следовательно,
жидкость оказывается насыщенной β-кристаллами. Поэтому из жидкости
начинают выделяться β-кристаллы. Процесс выделения α-кристаллов
прекращается. В противном случае это привело бы в результате вызываемого
им обеднения жидкости компонентом А к смещению точки р вправо, т. е. в
область ее ненасыщенного состояния. Таким образом, выделение из жидкости
β-кристаллов может происходить только при одновременном превращении
ранее выделившихся α-кристаллов, т. е. в результате перитектической реакции
ж + α↔β. Когда израсходуется вся жидкость, реакция закончится, и сплав будет
состоять их двух фаз: β-твѐрдого раствора и оставшихся непревращѐнными α-
кристаллов. Дальнейшие превращения в сплаве произойдут, как рассмотрено
ранее для сплава 2 на рис. 24.
При кристаллизации сплава 2, как и в предыдущем случае, сначала также
выделяются α-кристаллы, а при перитектической температуре протекает
трѐхфазное превращение ж + α↔β. К его концу вся жидкость и все α-кристаллы
оказываются одновременно превращѐнными, а сплав представляет однородный
β-твѐрдый раствор. При дальнейшем охлаждении из него выделяются α-
кристаллы. Состав α и β-твѐрдых растворов изменяется вдоль кривых
предельной растворимости aa0 и bb0.
Кристаллизация сплава 3 начинается также с выделения α-кристаллов. При
перитектической температуре трѐхфазное превращение ж + α↔β заканчивается
их исчезновением. Из оставшейся непрореагировавшей жидкости, уже в
отсутствие α-твердого раствора, до температуры Т2 будут выделяться β-
кристаллы. При этой температуре вся жидкость затвердевает, а сплав
представляет собою однородный β-твѐрдый раствор. При дальнейшем
Page 60
охлаждении по достижении точки b1, начнѐтся распад β-твѐрдого раствора с
выделением α-кристаллов.
Можно объяснить и по-другому, почему уже выпавшие α-кристаллы
растворяются в той самой жидкости, из которой они только что выделились.
Дело заключается в том, что если до перитектической температуры в
равновесии друг с другом были только жидкость и α-кристаллы, то, начиная с
температуры перитектики, жидкость оказывается также в равновесии с β-
кристаллами предельной концентрации. Поскольку разность концентраций
жидкости и β-кристаллов меньше, чем той же жидкости и α-кристаллов, пройти
диффузионному процессу выделения из жидкости β-кристаллов легче, чем α-
кристаллов. Но как только β-кристаллы начинают выделяться, жидкость,
изменяя свой состав по ликвидусу, в отношении α-кристаллов становится
ненасыщенной, α-кристаллы начнут растворяться, возвращая тем самым
концентрацию жидкости к прежнему равновесному состоянию. Этот процесс
будет продолжаться до тех пор, пока не растворятся все α-кристаллы или не
израсходуется вся жидкость.
Таким образом, при перитектическом превращении, в отличие от
эвтектического, только часть сплавов, испытывающих трѐхфазное превращение,
затвердеет при перитектической температуре. Состав этих сплавов лежит в
интервале концентрации между точками а и b. Другая часть сплавов,
испытывающих трѐхфазное превращение и расположенных в интервале
концентраций между точками b и р, затвердевает ниже перитектической
температуры.
Перитектическими сплавами называют сплавы, кристаллизующиеся из
жидкости путем выделения твѐрдой фазы с последующим образованием из неѐ
и оставшейся жидкости второй твѐрдой фазы.
Степень свободы при перитектическом превращении равна нулю. Поэтому
перитектическая реакция, как и эвтектическая, протекает при постоянной
температуре. Разумеется, что, пока из расплава выделяется только один вид
кристалла, по отношению к которому насыщение достигается раньше, степень
свободы будет равна единице. Поэтому процесс кристаллизации будет
протекать в интервале температур. На кривых охлаждения сплавов,
испытывающих перитектическое превращение, будет наблюдаться перелом,
соответствующий началу кристаллизации одной твѐрдой фазы, и
горизонтальная площадка, соответствующая собственно перитектическому
процессу.
5.4. Диаграммы состояния систем, в которых компоненты образуют химические соединения
Компоненты системы могут образовывать между собою химические
соединения, характеризующиеся различной прочностью. Одни из них
сохраняются при переходе в жидкое состояние, другие разлагаются, не достигая
точки плавления. В первом случае идѐт речь о так называемом конгруэнтном
плавлении, а во втором – инконгруэнтном (от лат. congruent – совпадающий,
incongruent – несовпадающий). Эти наименования указывают на совпадение
Page 61
или несовпадение состава жидкости, образующейся при плавлении соединения,
с составом соединения.
Один из вариантов диаграммы состояния с устойчивым химическим
соединением показан на рис. 27.
Прочное химическое соединение АmBn является, по существу,
самостоятельным компонентом. Поэтому эту диаграмму можно рассматривать
как сложную диаграмму, составленную из двух диаграмм: диаграммы сплавов
химического соединения с компонентом A и диаграммы сплавов химического
соединения с компонентом В. Обе эти диаграммы в рассматриваемом случае
представляют сплавы с ограниченной растворимостью в твѐрдом состоянии и
эвтектикой.
Вариант диаграммы состояния с неустойчивым химическим соединением
приведѐн на рис. 28.
Видно, что инконгруэнтное плавление состоит в разложении соединения с
образованием жидкости и твѐрдой фазы: АmBn↔ж + β. Образование
соединения, очевидно, описывается обратным процессом ж + β↔АmBn. Этот
процесс представляет не что иное, как трѐхфазное перитектическое
превращение жидкости совместно с β-твѐрдым раствором. Только в данном
случае по перитектической реакции образуется не твѐрдый раствор, как это
имело место раньше (см. рис. 26), а химическое соединение строго
определѐнного состава. Разумеется, что в результате превращения может
образоваться и твѐрдый раствор на основе химического соединения.
Показанную на рис. 28 диаграмму состояния нельзя рассматривать как
сочетание двух диаграмм. Это связано с тем, что ордината соединения проходит
через двухфазную область ж + β.
Завершая анализ простейших диаграмм состояния, внимание читателя
полезно обратить на те существенные закономерности, которые вытекают из
правила фаз и дают в руки мощное средство контроля правильности диаграмм
состояния, построенных в условиях, близких к равновесию. Эти
закономерности следующие.
Рис. 28. Диаграмма состояния системы с инконгруэнтно плавящимся химическим соединением AmBn между
компонентами
Рис. 27. Диаграмма состояния системы с конгруэнтно плавящимся
химическим соединением AmBn между компонентами
Page 62
Поскольку число степеней свободы не может быть меньше нуля или
дробным числом, то в двойной системе в равновесии не может находиться
больше трѐх фаз.
На диаграммах состояния двойных сплавов равновесию или взаимному
превращению двух фаз отвечает пара кривых (или две ветви одной кривой), а
равновесию или взаимодействию трѐх фаз – горизонталь. Другими словами,
всякая горизонталь – это место встречи трѐх фаз, а всякая кривая – граница, где
встречаются области двух фаз. На любой горизонтали обязательно
присутствуют три точки (из них две всегда по концам горизонтали),
соответствующие концентрациям трѐх равновесных фаз.
Из правила фаз вытекает важная закономерность о числе фаз в граничащих
друг с другом фазовых полях: это число не может быть одинаковым и не может
отличаться больше чем на единицу, т. е. должно быть n и n ± 1. Это означает, что
однофазное поле не может граничить по кривой с другим однофазным полем, а
обязательно должно быть отделено от него двухфазным полем. Аналогично
двухфазное поле не может граничить по кривой с другим двухфазным полем, а
обязательно должно быть отделено от него однофазным или трѐхфазным полем,
представляющим собою в двойных системах горизонталь.
Отмеченные закономерности читатель может проследить на
рассмотренных выше диаграммах состояния. Правило фаз Гиббса используется
не только для контроля правильности диаграмм состояния, но и их
теоретического построения [1, 13].
5.5. Диаграммы «состав – свойство»
Диаграмма «состав–свойство» – это графическое изображение зависимости
между составом (структурой) сплава и его свойствами. Такое наглядное
изображение связи между диаграммой состояния (структурой) и свойствами
сплавов было предложено учѐными-соотечественниками Н.С. Курнаковым
(I860–1941) и С.Ф. Жемчужным (1873–1923).
Рассмотрим, например, некоторые свойства сплавов двойной системы,
металлические компоненты которой А и B образуют непрерывный ряд твѐрдых
растворов. В сплавах этого типа твѐрдость и предел прочности от компонента А
к компоненту В изменяются по криволинейной зависимости, причѐм среди
непрерывного ряда твѐрдых растворов всегда имеются такие сплавы, твѐрдость
и прочность которых выше твѐрдости и прочности обоих компонентов.
В отличие от чистых металлов, в твѐрдых растворах увеличение твѐрдости
и предела прочности сочетается обычно с достаточно высокой пластичностью
(удлинением). Такое удачное сочетание прочностных и пластических свойств
делает твѐрдые растворы хорошим конструкционным материалом. При
комнатной температуре электросопротивление твѐрдых растворов значительно
больше, чем у чистых металлов. Высокое электросопротивление в сочетании с
малым температурным коэффициентом электросопротивления делает твѐрдые
растворы ценным материалом для нагревательных и измерительных приборов.
Теплопроводность и электропроводность изменяются по кривым,
имеющим минимум.
Page 63
Литейные свойства твѐрдых растворов (склонность к ликвации ,
способность к заполнению заливаемой формы – жидкотекучесть и др.)
определяются температурным интервалом кристаллизации, т. е. расстоянием
между ликвидусом и солидусом по вертикали, а также расстоянием между
ликвидусом и солидусом по горизонтали. С увеличением расстояния по
горизонтали усиливается дендритная ликвация твѐрдых растворов и
уменьшается жидкотекучесть.
Сплавы, состоящие из смесей двух видов кристаллов, обычно
характеризуются свойствами, средними между свойствами фаз, которые
образуют смесь. Зависимости твѐрдости, электросопротивления,
температурного коэффициента сопротивления и других свойств от состава при
низких температурах близки к прямым, которые соединяют фигуративные
точки компонентов. В случае ограниченной растворимости в системах
эвтектического или перитектического типа кривые свойств будут представлять
комбинацию из криволинейных участков в области твѐрдых растворов и из
участков, близких к прямолинейным в области смеси двух фаз.
Специфическими свойствами характеризуются сплавы систем, в которых
образуются химические соединения.
Более подробно раздел «Диаграммы состав – свойство» рассмотрен в
трудах А.А. Бочвара и Ю.М. Лахтина.
Ликвация – неоднородность химического состава, возникающая при
кристаллизации материала. – Прим. авт.
Page 64
ГЛАВА 6. ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ «ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД»
Железоуглеродистые сплавы – основные конструкционные материалы,
которые используются в машиностроении, строительстве, транспорте и др.
Изменяя состав и структуру, получают сплавы с самыми разнообразными
свойствами, что и делает их универсальными конструкционными материалами.
О структуре железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания
углерода и температуры, а также о возможности изменения микроструктуры в
результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства
сплавов, судят по диаграмме состояния системы «железо – углерод».
Железо имеет полиморфные модификации – альфа, гамма и дельта, с
углеродом образует карбид Fe3C, названный за высокую твѐрдость цементитом.
С углеродом железо образует твѐрдые растворы внедрения с ограниченной
растворимостью. Так, максимальная растворимость углерода в α-железе и δ-
железе, обладающих объемно-центрированной кубической решѐткой,
составляет 0,02 (при 723 °С) и 0,1 % (при 1 493 °С) соответственно (см. рис. 29,
30). Максимальная растворимость углерода в γ-железе, имеющего кубическую
гранецентрированную решѐтку, – 2.14 % (при 1 147 °С). Твѐрдый раствор
углерода в γ-Fe называется аустенитом, в честь английского металлографа
Roberts Austen. Твѐрдый раствор в α-железе (также в δ-железе) называют
ферритом (от лат. Ferrum – железо).
Кристаллы α-железа устойчивы от низких температур вплоть до 910 °C (по
другим данным 911 °C), после чего при нагревании они превращаются в γ-
кристаллы (см. рис. 29, 30). Выше 1 392 °C γ-модификация превращается в δ-
модификацию, которую нередко обозначают как α-железо. Кристаллы α и δ, по
существу, ничем не отличаются. Обозначение δ-железо оправдывается целью
отличить кристаллы, образующиеся ниже области устойчивости γ-железа, от
кристаллов с той же решѐткой, но образующихся выше области устойчивости γ-
формы.
Отметим, что α-кристаллы сильно ферромагнитны. При 768–770 °C
ферромагнетизм исчезает. Это давало повод считать, что выше и ниже
указанной температурной границы железо находится в двух разных формах.
Состояние железа в интервале 770–910 °C первоначально обозначали через β. С
появлением рентгеновского метода исследования было показано, что β-
кристаллы по строению идентичны α-кристаллам. Это явилось убедительным
фактом для утверждения о том, что считать β-кристаллы, несмотря на разные
магнитные свойства α- и β-кристаллов, самостоятельной фазой нет основания.
Имеются две диаграммы состояния сплавов железо – углерод:
метастабильная, описывающая превращение в системе «железо – цементит» и
стабильная, характеризующая превращения в системе «железо – графит». Обе
эти диаграммы представлены на рис. 29, где штриховыми линиями обозначена
диаграмма «железо – графит», а сплошными – диаграмма «железо – цементит».
Стабильные или метастабильные равновесия возникают в зависимости от
скорости охлаждения. Образование графита связано со значительными
Page 65
перемещениями атомов
углерода и железа. Если
сплавы охлаждаются
медленно, то атомы железа
успевают удалиться из зон
формирования графита. В этом
случае возникают стабильные
состояния. В реальных
условиях, уже при скорости
охлаждения 1–10 град/мин,
малоподвижные атомы железа
не успевают «подготовить
место» для образования
графита. Они практически
остаются на месте, и в сплавах
реализуются метастабильные
равновесия в соответствии с
диаграммой «железо –
цементит». Необходимая для
этого диффузия
легкоподвижных при
повышенных температурах
атомов углерода реализуется и
при ускоренном охлаждении.
Обе возможные
диаграммы состояния (рис. 29)
наложены одна на другую для
наглядности. Видно, что линии
железо-графитной системы расположены выше линий железо-цементитной
системы. Такое расположение линий указывает на то, что система «железо –
графит» является более близкой к состоянию равновесия, чем система «железо –
цементит». Поэтому представленную на рис. 29 диаграмму с двойными линиями
следует рассматривать как проекцию на одну плоскость двух сечений
пространственной диаграммы состояния «железо – углерод» при разных
скоростях охлаждения. При средних скоростях охлаждения часть сплавов может
закристаллизоваться по цементитному варианту, а часть – по графитному.
Разная скорость охлаждения сплавов – одна из причин того, что на
диаграммах состояния, в том числе и в системе «железо – углерод», можно
наблюдать несколько отличающиеся значения температур превращений и
концентраций.
Таким образом, хотя образование карбида железа дает меньший выигрыш
свободной энергии по сравнению с графитом, кинетическое образование
цементита более вероятно. В промышленных условиях превращения при
кристаллизации низкоуглеродистых сплавов (сталей) происходят в соответствии
Рис. 29. Диаграмма состояния железо – углерод:
ж – жидкий раствор углерода в железе;
δ – твѐрдый раствор углерода в дельта-железе;
γ – твѐрдый раствор углерода в гамма-железе;
α – твѐрдый раствор углерода в альфа-железе;
Fe3C – карбид железа
Page 66
с метастабильной диаграммой «железо – цементит». Рассмотрим эту диаграмму
более подробно (рис. 30).
На диаграмме точка А отвечает температуре плавления железа – 1 539 °С.
Кристаллизация сплавов с содержанием до 0,51 % С (точка В) начинается на
линии АВ выделением из расплава кристаллов δ-феррита, состав которых
определяется линией АН. Этот процесс кристаллизации проходит до конца, т. е.
до полного исчезновения жидкого раствора, только у сплавов, содержащих не
более 0,1 % С (точка Н).
При содержании углерода от 0,1 до 0,51 % С и температуре 1 493 °С
(горизонталь НВ) протекает перитектическое превращение. В результате
взаимодействия жидкого сплава Ж (на рис. 30 обозначен ж.с.) и δ-феррита Ф
происходит образование новой фазы – аустенита А: Жв + Фн→АJ (индексы
обозначают точки диаграммы, соответствующие составам фаз или структурных
составляющих, которые участвуют в превращении).
Рис. 30. Структурная диаграмма состояния «железо – цементит» (слева –
фрагмент диаграммы)
В сплаве, содержащем 0,18 % С (точка J) вся жидкая фаза Жв и все
кристаллы δ-феррита Фн полностью расходуются на образование аустенита АJ.
В сплавах, содержащих от 0,1 до 0,18 % С, т. е. на участке HJ, при
перитектическом превращении жидкая фаза расходуется полностью, а
кристаллы δ-феррита остаются в избытке. Поэтому в результате
Page 67
перитектического превращения образуется двухфазная структура – АJ + ФH. В
сплавах на участке JB, т. е. при содержании от 0,18 до 0,51 % С, при
перитектическом превращении кристаллы δ-феррита расходуются полностью, а
жидкость остается в избытке. Поэтому в результате этого превращения также
образуется двухфазная структура, но состоять она будет из аустенита АJ и
жидкости Жв.
Ниже линии ВС и до линии JEC при охлаждении из жидкого расплава
выделяются кристаллы аустенита. В процессе кристаллизации состав жидкой
фазы меняется по линии ВС, а состав аустенита – по линии JE. В области ВСЕJ
сплав состоит из двух фаз – жидкого сплава и аустенита. При достижении
температуры 1 147 °С (линия EF) концентрация углерода в аустените составляет
2,14 % (точка Е), а концентрация углерода в жидкости – 4,3 % (точка С).
Ниже температур, соответствующих линии CD, и температур до линии CF
из расплава выпадают кристаллы цементита Fe3C, получившего название
первичного (ЦI). Состав жидкой фазы в процессе кристаллизации изменяется по
линии CD. Следовательно, при температуре 1 147 °С и концентрации углерода
4,3 % расплав становится насыщенным как аустенитом, так и цементитом. Обе
эти фазы будут одновременно кристаллизоваться из жидкого сплава, образуя
механическую смесь – эвтектику, названную в честь германского металлурга А.
Ledebur ледебуритом: ЖС→АЕ+Fe3C.
Таким образом, полное затвердевание сплавов системы «железо –
цементит» происходит по линии солидуса AHJECF. Превращения в сплавах
системы «железо – цементит» в твердом состоянии связаны с полиморфизмом
железа и различной растворимостью углерода в его модификациях.
При охлаждении сплавов, содержащих не более 0,18 % С, в области HJN,
происходит превращение δ-феррита в аустенит. Линия NH – верхняя граница
области сосуществования δ-феррита и аустенита, линия NJ – нижняя
(окончание превращения δ-феррита в аустенит при охлаждении). Все сплавы в
области, ограниченной сверху линиями NJ и JE, а в нижней части линиями GS и
SE, являются однофазными с аустенитной структурой. При снижении
температуры ниже линии GS из аустенита выделяется твердый раствор углерода
в α-железе – феррит, а ниже линии SE – цементит Fe3C, получивший название
вторичного (ЦII). В области GSP сплавы состоят из аустенита и феррита, а под
линией SE (0,8–2,14 % С), но выше 723 °С – из аустенита и вторичного
цементита, выделившегося при охлаждении в виде сетки по границам бывшего
зерна аустенита или в виде игл (пластин). Сплавы, содержащие от 2,14 до 4,3 %
С, при температурах от 1 147 до 723 °С состоят из аустенита, вторичного
цементита и ледебурита (представляющего смесь аустенита и цементита А + Ц),
а содержащие больше 4,3 % С – из первичного цементита и ледебурита (также
смесь А + Ц). Сплав с содержанием 4,3 % С соответствует ледебуриту (А + Ц, в
температурном интервале 723–1 147 °С).
При 723 °С (линия PSK) аустенит распадается с образованием эвтектоида –
механической смеси феррита и цементита, которая получила название перлита
(указание на перламутровый отлив шлифа этой смеси при травлении):
АS → Фр + Fe3C.
Page 68
Перлит чаще состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита,
т. е. имеет пластинчатое строение. Толщина пластинок феррита и цементита
находится в соотношении 7,3 : 1. После специальной термической обработки
перлит может иметь зернистое строение (цементит образует сфероиды).
Ниже 723 °С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры:
доэвтектоидные стали, содержащие от 0,02 до 0,8 % С, – феррит +
перлит;
эвтектоидная сталь (0,8 % С) – перлит;
заэвтектоидные стали (0,8–2,14 % С) – перлит + вторичный цементит;
доэвтектические чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3 % С, – перлит +
вторичный цементит + ледебурит (перлит + цементит);
эвтектический чугун – ледебурит (перлит + цементит);
заэвтектические чугуны (от 4,3 до 6,67 % С) – первичный цементит +
ледебурит (перлит + цементит).
Читатель, по-видимому, обратил внимание на неоднозначность структуры
ледебурита выше 723 °С (аустенит + цементит) и ниже этой температуры
(перлит + цементит). Получается как бы два ледебурита. Положение
осложняется тем, что иногда ледебурит однозначно определяется как
структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, представляющая
собой эвтектическую смесь аустенита с карбидом железа. Это определение
соответствует диаграмме состояния в области температур 723–1 147 °С. При
этом полезно заметить, что в зависимости от температуры содержание углерода
в аустените изменяется в соответствии с линией SE.
При охлаждении, по достижении температуры 723 °С, как следует из
диаграммы состояния, аустенит (подчеркнѐм входящий в состав ледебурита и
обеднѐнный углеродом до эвтектоидного состава – 0,8 % С) превращается в
перлит. Поэтому эвтектические сплавы (4,3 % С) ниже 723 °С являются смесью
перлита эвтектоидного состава и цементита. Сплавы с такой структурой также
называются ледебуритом.
Ниже 723 °С по линии PQ из феррита выделяется избыточный углерод в
виде так называемого третичного цементита Fe3C (ЦIII). При комнатной
температуре концентрация углерода в -феррите составляет 0,006 % (точка Q).
В виде самостоятельной составляющей третичный цементит выделяется только
в сплавах, содержащих не более 0,02 % С (технически чистое железо). При
большем содержании углерода третичный цементит кристаллизуется на
участках цементита, входящего в состав перлита.
В соответствии с изложенным выше принята следующая классификация
сплавов системы «железо – цементит»:
сплавы, содержащие не более 0,02 % С, называют техническим
железом;
сплавы, содержащие от 0,02 до 2,14 % С, относят к сталям;
сплавы, содержащие от 2,14 до 6,67 % углерода, называют чугуном.
Приняты следующие интернациональные обозначения критических точек в
чистом железе и в сплавах железа с углеродом:
Page 69
А со значком внизу (2, 3 или 4) – точки превращения одной формы
железа в другую, обнаруживаемые на кривых охлаждения или на кривых
изменения какого-либо физического свойства в зависимости от температуры.
Значки указывают порядковый номер превращения;
значок 2 (А2–768 °С) относится к магнитному превращению α-железа.
Критическую точку 768 °С, соответствующую переходу железа из
ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри.
Первоначально, до рентгенографического исследования, как отмечено выше,
ошибочно полагали, что выше 768 °С и ниже 910 °С железо находится в
самостоятельной кристаллической модификации, которую обозначали через β
(β-железо);
значок 3 (А3) относится к превращению α-железо→γ-железо.
Модификация α-железо существует при температурах ниже 910 °С;
значок 4 (А4) относится к превращению γ-железо→δ-железо; γ-
кристаллы устойчивы до температуры 1 392 °С; δ-железо, существующее в
интервале 1 392–1 539 °С (температура плавления железа), как уже было
сказано, нередко обозначают как α-железо, поскольку α- и δ-кристаллы имеют
решѐтку объѐмно-центрированного куба и, по существу, ничем не отличаются.
Так как при переходе из одной формы в другую железо способно к
переохлаждению, то положение точек при нагревании и при охлаждении
несколько отличается (явление гистерезиса). Превращение при нагревании
обозначают буквой с (фр. chauffer), при охлаждении буквой r (фр. refroidir).
Записывают превращения следующим образом: Ас2, Аr2, Ac3, Ar3, Ac4, Ar4;
значки 0 и 1 относятся к превращениям, протекающим только в сплавах
железа с углеродом. Значок 0 (А0 – 210 °С) относится к магнитному
превращению цементита Fe3C. Значок 1 (А1 – 723 °С) относится к
эвтектоидному превращению.
Критические точки, соответствующие линии GS, принято обозначать Аr3
при охлаждении и Ас3 при нагреве, а соответствующие линии PSK Ar1 и Ac1
соответственно. Критические точки, образующие линию SE, обозначают Acm.
Для обозначения твѐрдых растворов углерода на основе δ, γ и α форм
железа принята та же символика, то есть δ, γ и α. МО – линия магнитного
превращения.
Кристаллизация сплавов железо-графит происходит аналогично
кристаллизации сплавов железо-цементит согласно диаграмме, представленной
на рис. 29. Различие заключается в том, что вместо цементита выделяется
графит. При температурах, соответствующих линии C'D' , из жидкости
кристаллизуется первичный графит. При 1 153 °С (линия E'C'F') образуется
графитная эвтектика аустенит + графит. По линии S'E' выделяется вторичный
графит, который наслаивается на имеющиеся графитные включения, не образуя
самостоятельных выделений. При температуре 738 °С (линия P'S'K') образуется
эвтектоид, представляющий смесь феррита и графита.
Page 70
Процесс выделения в чугуне (стали) графита называют графитизацией.
Как уже отмечалось, графит образуется только при очень малых скоростях
охлаждения. Поэтому при эвтектической кристаллизации может выделяться:
только графит; в этом случае чугун называют серым;
только цементит; в этом случае чугун называют белым;
и графит и цементит; в этом случае чугун называют половинчатым.
В чугунах, содержащих цементит, при длительном нагреве и высоких
температурах протекает процесс графитизации.
Page 71
ГЛАВА 7. ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
7.1. Превращения в стали при нагреве
Под термической обработкой металлов и сплавов понимают совокупность
операций, включающих нагрев до требуемой температуры, выдержку при этой
температуре и охлаждение с заданной скоростью до определѐнной
температуры. Термическая обработка изменяет структуру металлов и сплавов,
чем достигается получение нужных свойств. Хотя первые сведения о некоторых
видах термической обработки относятся к концу третьего тысячелетия до н. э.,
еѐ научные основы были заложены только в XIX в. выдающимся русским
металлургом бывшего Обуховского завода в Санкт-Петербурге Д.К. Черновым.
Именно ему принадлежит заслуга преобразования металловедения из науки
чисто описательной в науку созидающую.
Общее представление о превращениях, протекающих в стали при нагреве
или охлаждении, дает диаграмма состояния Fе – Fe3С. При нагреве несколько
выше критической точки Ас1 феррито-карбидная структура (перлит)
превращается в аустенит. Это превращение состоит из двух процессов, которые
протекают одновременно: полиморфного α→γ-перехода и растворения
цементита в аустените. При нагреве эвтектоидной стали выше Ас1 образуется
однофазная структура – аустенит, при нагреве до- и заэвтектоидных сталей –
двухфазная: «феррит + аустенит» и «аустенит + цементит» соответственно. В
доэвтектоидных сталях при нагреве в интервале температур Ас1 – Ас3 феррит
постепенно превращается в аустенит, содержание углерода в котором
уменьшается в соответствии с линией GS. Выше критической точки Ас3 феррит
исчезает, а содержание углерода в аустените становится равным его
содержанию в стали. Аналогично в заэвтектоидных сталях в температурном
интервале Ас1 – Асm происходит растворение избыточного цементита. Выше
критической точки Асm цементит исчезает, а содержание углерода в аустените
становится равным его содержанию в стали.
Превращение перлита в аустенит протекает в результате образования
зародышей аустенита и последующего их роста. Зародыши образуются на
границах раздела «феррит – карбид». Поэтому чем дисперснее была структура
перлита, тем будет больше зародышей аустенита, а его начальное зерно мельче.
Увеличение скорости нагрева приводит к массовому возникновению зародышей
аустенита, что также способствует образованию мелкого зерна.
С увеличением времени выдержки при заданной температуре или при еѐ
повышении зерно, в результате собирательной рекристаллизации,
увеличивается: мелкие зѐрна поглощаются более крупными, термодинамически
более устойчивыми.
Склонность зѐрен аустенита к росту даже у сталей одного марочного
состава может быть неодинаковой и зависит от условий их выплавки. Различает
два предельных типа сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно
крупнозернистые.
В наследственно крупнозернистой стали при температурах, незначительно
превышающих Ас1, наблюдается сильный рост зерна. К этой группе относятся
Page 72
стали, раскисленные ферромарганцем или ферромарганцем и ферросилицием .
Стали, дополнительно раскисленные алюминием, относятся к наследственно
мелкозернистым. В таких сталях, даже при нагреве до 1 000–1 050 °С, зерно
увеличивается незначительно. При более высоких температурах наблюдается
бурный рост зерна. Такая закономерность обусловлена влиянием дисперсных
частиц нитрида АlN, образующихся при раскислении алюминием. Располагаясь
по границам зѐрен, они тормозят их рост. Растворение частиц нитрида при
высоких температурах вызывает интенсивный рост зерна.
В двухфазных областях в интервале температур Ас1 – Ас3 и Ас1 – Асm, т. е. в
доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях, рост зерна аустенита сдерживается
участками феррита и нерастворившимися частицами цементита.
Карбидо- и нитридообразующие элементы, такие как титан, цирконий,
ванадий, ниобий и другие, образующие термодинамически прочные
соединения, сильно сдерживают рост зерна аустенита. С другой стороны,
труднорастворимые дисперсные частицы карбидов и нитридов выполняют роль
готовых центров кристаллизации, что также приводит к формированию мелкого
зерна. Марганец и фосфор способствуют росту аустенитного зерна.
По поводу понятий «наследственно мелкозернистая сталь» и
«наследственно крупнозернистая сталь» необходимо сделать следующее
замечание. Эти понятия не означают, что та или иная сталь всегда имеет
крупное или всегда мелкое зерно. Они указывают на то, что при нагреве до
определенных температур крупнозернистая сталь приобретает крупное зерно
при более низкой температуре, чем сталь мелкозернистая.
Увеличение размера зерна понижает прочность (ζВ, ζТ), пластичность (δ, ψ),
резко снижает ударную вязкость, повышает порог хладноломкости.
Трещиностойкость, или вязкость разрушения, К1с ведет себя аномально. Стали
после закалки и низкого отпуска при крупности зерна аустенита 10–15 мкм
имеют минимальную величину К1с. При других размерах зерна, как больших,
так и меньших, трещиностойкость возрастает. Измельчение зерна повышает
конструктивную прочность стали. Крупное зерно получают только в
электротехнических сталях с целью повышения их магнитных свойств.
Величина действительного аустенитного зерна, т. е. зерна, полученного в
результате той или иной термической обработки, определяется различными
методами, с которыми можно познакомиться в рекомендуемой литературе.
7.2. Изотермический распад аустенита
Сталь со структурой аустенита, быстро охлаждѐнная до температуры ниже
Аr1 (т. е. переохлаждѐнная), оказывается в метастабильном состоянии и
претерпевает превращение. Для его описания строят так называемые
диаграммы изотермического превращения аустенита, отражающие степень
распада аустенита во времени при разных температурах. Образцы стали, быстро
Раскислители – химические элементы или сплавы, понижающие
концентрацию кислорода в стали. – Прим. авт.
Page 73
охлаждѐнные до определѐнной температуры, выдерживают при этой
температуре, контролируя количество распавшегося аустенита.
На рис. 31 приведена диаграмма изотермического распада аустенита
эвтектоидной стали, где П, Б, М – области перлитного, бейнитного и
мартенситного превращений; Мн – температура начала превращения аустенита в
мартенсит; Мк – температура конца превращения. Левая С-образная кривая
характеризует начало распада, правая кривая показывает время, когда процесс
распада полностью заканчивается (или приостанавливается). Область,
расположенная левее кривой начала распада, определяет продолжительность
инкубационного периода, в течение которого распад аустенита экспериментально
не фиксируется.
Из рис. 31 видно,
что устойчивость
аустенита с
увеличением степени
переохлаждения сначала
быстро уменьшается,
что связано с
возрастанием разности
свободных энергий
аустенита и
образующихся фаз. При
дальнейшем увеличении
степени
переохлаждения
устойчивость аустенита
вновь повышается, что
вызывается снижением
скорости образования
новых фаз и их роста в результате замедления диффузионных процессов.
При температурах, соответствующих точке МН и более низких, процессы
диффузии полностью подавляются. Происходит сдвиговое бездиффузионное
фазовое превращение аустенита в структуру закалѐнной стали, называемую
мартенситом. Мартенситное превращение обусловливается упорядоченным
перемещением атомов, причем такие перемещения малы по сравнению с
междуатомным расстоянием.
В зависимости от степени переохлаждения различают три области
превращения: перлитную, мартенситную и бейнитную (промежуточную) между
ними, в которых соответственно протекают перлитное, мартенситное и
бейнитное превращения.
Рассмотрим эти превращения.
7.2.1. Перлитное превращение
Переохлаждѐнный аустенит в температурном интервале от Аr1 до 500 °С
(см. рис. 31) претерпевает превращение, в процессе которого происходит γ→α-
Рис. 31. Схема диаграммы изотермического распада
переохлаждѐнного аустенита эвтектоидной стали
Page 74
переход и диффузионное перераспределение углерода в аустените, приводящее
к образованию структуры из феррита и цементита:
А → Ф + Fe3C.
Ведущей, т. е. образующейся в первую очередь, фазой является цементит,
зародыши которого возникают, как правило, на границах зѐрен аустенита. Рост
цементитных частиц сопровождается обеднением прилегающих к ним
аустенитных зѐрен углеродом. Устойчивость аустенита снижается, и он
претерпевает γ→α-превращение. Так на границе с цементитом зарождаются
кристаллики феррита. Последующий рост кристалликов феррита приводит к
обогащению окружающего их аустенита углеродом. В результате этого развитие
γ→α-превращения затрудняется, а в обогащѐнном таким образом углеродом
аустените зарождаются новые и растут ранее возникшие пластинки цементита.
В результате такого механизма образования и роста фаз цементита и феррита
формируется перлитная структура, представляющая собой чередование пластин
цементита и феррита.
В зависимости от степени переохлаждения (скорости охлаждения)
образуются различные пластинчатые структуры эвтектоидного типа. В
условиях, близких к равновесным (превращение при температуре около 700 °С)
образуется собственно перлит, в котором межпластиночное расстояние Δ (так
называется сумма толщин пластин цементита и феррита) составляет 0,5–1 мкм.
При большей степени переохлаждения в изотермических условиях при
650–600 °С, а также при непрерывном охлаждении со скоростью несколько
десятков градусов в минуту образуется более тонкодисперсная структура –
сорбит, названная по имени английского учѐного Г. Сорби (Н. Sorby).
Межпластиночное расстояние Δ в сорбите составляет 0,2–0,4 мкм.
В нижней области температурного интервала перлитного превращения
550–500 °С переохлаждѐнный аустенит распадается с образованием
чрезвычайно дисперсной перлитной структуры (Δ = 0,1–0,15 мкм) – троостита,
названной по имени французского химика Л. Трооста (L. Troost). Деление
структур на перлит, сорбит и тростит условное. Указанные феррито-
цементитные структуры различаются лишь степенью дисперсности. Однако
тонкодифференцированная структура может образоваться в результате быстрого
охлаждения не только в основе эвтектоидного, но и неэвтектоидного состава.
Такую структуру, состоящую как будто из одного эвтектоида, называют
квазиэвтектоидом (псевдоэвтектоидом).
Изотермическое превращение аустенита в доэвтектоидных и
заэвтектоидных сталях отличается от превращения аустенита в эвтектоидной
стали. В этих сталях распаду аустенита будет предшествовать предварительное
выделение феррита в доэвтектоидной стали и цементита в заэвтектоидной. С
понижением температуры распада количество избыточной фазы – феррита или
цементита – уменьшается. При некоторой степени переохлаждения распад
начинается сразу с образования эвтектоида, а точнее – структуры эвтектоидного
типа – квазиэвтектоида: «сорбита» и «троостита».
Очевидно, что избыточный феррит (цементит) не успевает выделяться
самостоятельно и входит в эвтектоид, утолщая эвтектоидные частицы феррита.
Page 75
Химический состав такого эвтектоида будет иной, чем состав перлита
(эвтектоида): в доэвтектоидных сталях сорбит и троостит содержат меньше
0,8 % углерода, а в заэвтектоидных – больше. Легирующие элементы (кроме
кобальта) повышают устойчивость переохлаждѐнного аустенита и сдвигают
кривые начала и конца превращения на диаграмме изотермического распада
вправо.
С переходом от перлита к сорбиту и далее трооститу, т. е. с увеличением
степени дисперсности феррито-цементитной структуры (с понижением
температуры распада), твѐрдость, пределы прочности, текучести и
выносливости возрастают, относительное удлинение и относительное сужение
несколько снижаются.
7.2.2. Мартенситное превращение
Мартенсит – упорядоченный пересыщенный твѐрдый раствор внедрения
углерода в α-железе. Назван по имени немецкого металловеда А. Мартенса (A.
Martens). При комнатной температуре в равновесном состоянии предельная
растворимость углерода в α-железе составляет по разным данным от 0,002 до
0,006 %, а в мартенсите может быть такой же, как в исходном аустените, т. е.
достигнуть 2,14 % (см. рис. 30). Внедрѐнные атомы углерода сильно искажают
решетку α-железа. Решѐтка мартенсита тетрагональная. Высота тетрагональной
призмы «с» и размер ее основания «а» связаны соотношением c/a = 1 + 0,046·C,
где С – содержание углерода в аустените в массовых процентах. Следовательно,
с увеличением содержания углерода в аустените отношение с/а, или по-другому
тетрагональность решѐтки, увеличивается.
Для того чтобы мартенситное превращение началось, необходимо быстро
переохладить аустенит до таких температур, при которых диффузионные
процессы становятся невозможными. Температура, соответствующая началу
превращения аустенита в мартенсит, в отечественной литературе обозначается
Мн в иностранной – Мs, (от англ. start – начало). Для того чтобы превращение
развивалось, необходимо дальнейшее охлаждение ниже температуры Мн. В
случае прекращения охлаждения мартенситное превращение практически
останавливается. В этом заключается особенность этого превращения и его
отличие от диффузионного перлитного, протекающего в изотермических
условиях ниже точки Аr1.
По достижении определѐнной температуры превращение аустенита в
мартенсит прекращается. Точка конца превращения в отечественной литературе
обозначается Мк, в иностранной – Мf (от англ. finish – конец). Положение точек
начала и конца мартенситного превращения определяется химическим составом
аустенита и не зависит от скорости охлаждения. Чем больше в стали углерода,
тем ниже точки Мн и Мк. Легирующие элементы – хром, молибден, вольфрам,
марганец, никель – понижают положение точек Мн и Мк. Количество
образовавшегося мартенсита увеличивается с понижением температуры.
Поэтому в закалѐнных углеродистых и легированных сталях, имеющих низкую
точку Мк (ниже 20 °С), достижение которой затруднительно, содержится
остаточный аустенит, количество которого может достигать 30–50 и даже 100 %.
Page 76
Как уже отмечалось, мартенситное превращение носит бездиффузионный
характер и осуществляется в процессе перестройки решѐтки путем сдвига
атомов на расстояния, не превышающие межатомных. В начале превращения на
границе мартенсита с аустенитом существует сопряжѐнность решѐток
(когерентность), и собственно межфазной границы не образуется. В этот
момент число возникающих в единицу времени и в единице объѐма зародышей
мартенсита очень велико, а скорость их роста составляет около километра в
секунду. Поскольку удельные объѐмы аустенитной и мартенситной фаз разные,
рост кристалла мартенсита сопровождается увеличением упругих напряжений в
области когерентного сопряжения. Это приводит к пластической деформации,
нарушению сопряжѐнности решѐток и образованию межфазной границы.
Переход атомов из аустенита в мартенсит становится невозможным, и рост
мартенситного кристалла прекращается.
Различают пластинчатый и реечный мартенсит. Кристаллы,
представляющие собой широкие пластины, относятся к пластинчатому
мартенситу. В плоскости шлифа они выглядят в виде игл. Поэтому
пластинчатый мартенсит называют также игольчатым. Кристаллы мартенсита
могут формироваться в форме тонких реек. Такой тип мартенсита называют
реечным. Обычно образуется пакет из параллельно расположенных реек.
Между рейками-кристаллами мартенсита в легированных сталях нередко
сохраняются прослойки остаточного аустенита. В отличие от игольчатого, такой
мартенсит называют массивным.
Реечный мартенсит образуется в низко- и среднеуглеродистых сталях,
пластинчатый – в высокоуглеродистых сталях.
Размеры кристаллов мартенсита определяются величиной исходного зерна
аустенита. Сначала образуются кристаллы максимальной протяжѐнности,
соответствующей поперечному размеру аустенитного зерна. Затем, при более
низких температурах, уже в более стеснѐнных условиях образуются кристаллы
меньших размеров.
Мартенсит обладает высокими твѐрдостью и прочностью. Чем больше
углерода в стали, тем выше твѐрдость. Высокая твѐрдость (прочность)
мартенсита обусловлена образованием пересыщенного углеродом твѐрдого
раствора, высокой плотностью дислокаций, достигающей 1010
–1012
см-2
,
образованием атмосфер Коттрелла на дислокациях и другими причинами.
Характерные особенности мартенсита – его хрупкость и наибольший удельный
объѐм по сравнению с другими структурными составляющими стали. Поэтому
при закалке возникают большие внутренние напряжения, которые приводят не
только к деформации изделий, но и появлению трещин.
7.2.3. Бейнитное превращение
Бейнитное, или промежуточное, превращение протекает в температурном
интервале между областями перлитного и мартенситного превращений, когда
самодиффузия атомов железа практически подавлена, а диффузия атомов
углерода еще высока. Поэтому промежуточное превращение сочетает в себе
элементы диффузионного перлитного и бездиффузионного мартенситного
Page 77
превращений. Образующаяся при этом структура по имени американского
металлурга Э. Бейна (Е. Bain) получила название «бейнит».
Механизм бейнитного превращения состоит в следующем. Сначала в
пределах аустенитного зерна происходит диффузионное перераспределение
атомов углерода, приводящее к образованию как обеднѐнных, так и
обогащѐнных углеродом объѐмов аустенита. В результате этого
перераспределения обеднѐнные углеродом участки аустенита оказываются в
области мартенситного превращения для низкоуглеродистого аустенита.
Происходит превращение γ→α с образованием низкоуглеродистого мартенсита.
В процессе изотермической выдержки в объѐмах аустенита с наиболее высокой
концентрацией углерода могут выделяться частицы цементита. Это,
естественно, приведѐт к обеднению соответствующих участков углеродом и
протеканию в них превращения по мартенситному механизму.
Таким образом, бейнит – структура, состоящая из низкоуглеродистого
мартенсита и частиц цементита. Как и мартенситное, промежуточное
превращение часто не идет до конца. Нераспавшийся аустенит при дальнейшем
охлаждении может претерпевать в определенной мере мартенситное
превращение либо сохраниться в виде остаточного аустенита.
В зависимости от температуры распада переохлаждѐнного аустенита
различают: верхний бейнит, образующийся в области температур 500–350 °С, и
нижний бейнит, образующийся от 350 °С до точки Мн. Различие механизмов
образования верхнего и нижнего бейнита заключается в следующем. В области
более высоких температур, т. е. при образовании верхнего бейнита, в
кристаллах аустенита происходит существенная дифференциация по
содержанию углерода: объемы аустенита обогащаются им сильно, а кристаллы
α-фазы менее значительно. Поэтому цементит выделяется в основном из
аустенита. В области более низких температур, т. е. при образовании нижнего
бейнита, обогащение аустенита углеродом сравнительно невелико, а
пересыщение α-фазы существенно. Поэтому цементит выделяется главным
образом в кристаллах α-фазы.
В связи с выделением сравнительно грубых зѐрен цементита, верхний
бейнит по сравнению с продуктами распада аустенита в перлитной области –
сорбитом и трооститом, а также по сравнению с нижним бейнитом обладает
пониженной пластичностью. Твѐрдость и прочность верхнего и нижнего
бейнита высокие. На структуру бейнита обрабатывают стали, которым
необходимо придать износостойкость, упругость, высокую статическую,
динамическую и циклическую прочность. Высокие пластические свойства
нижнего бейнита позволяют повышать прочность изделий дополнительным
наклѐпом.
7.3. Распад аустенита при непрерывном охлаждении
Термическую обработку стали осуществляют чаще не в изотермических
условиях, а при непрерывном охлаждении. На рис. 32 схематически показано
влияние скорости охлаждения на природу образующихся структур при
Page 78
термообработке углеродистой эвтектоидной стали. Кривые охлаждения наложены
на диаграмму изотермического распада аустенита.
При непрерывном
охлаждении с небольшой
скоростью V1 формируется
перлит. Увеличение скорости
охлаждения до V2 и V3 приводит
к превращению аустенита в
сорбит и троостит
соответственно. При скорости
охлаждения V4 полного распада
аустенита не произойдет. Часть
его, переохладившись до точки
Мн, превратится в мартенсит.
Минимальной скорости
охлаждения, при которой
аустенит не распадается на
феррито-цементитную смесь, а
превращается в мартенсит,
соответствует кривая Vk,
касающаяся выступа кривой начала изотермического распада аустенита. Эту
скорость называют критической скоростью закалки. Она является очень
важной характеристикой стали и определяет выбор охлаждающих сред (вода,
масло, воздух). Легирование уменьшает критическую скорость закалки. Так,
если критическая скорость закалки углеродистых сталей составляет 200–
800 °С/с, для многих легированных сталей она снижается до 5–20 °С/с. Чем
больше устойчивость аустенита, тем меньше критическая скорость закалки.
Бейнит в условиях непрерывного охлаждения углеродистой стали, как
правило, не образуется.
7.4. Превращения в закалѐнной стали при нагреве (отпуск стали)
Мартенсит и остаточный аустенит, составляющие типичную структуру
закалѐнной стали, являются неравновесными фазами. При нагреве они
переходят в более устойчивое состояние, распадаясь на феррито-цементитную
смесь. Поскольку этот распад носит диффузионный характер, особенности его
протекания будут определяться температурой нагрева. Можно выделить 4 типа
превращений, каждый из которых протекает в определѐнном интервале
температур.
Первое превращение заключается в распаде мартенсита. Оно протекает в
две стадии. На первой стадии, при температурах до 150 °С, происходит
выделение из α-твѐрдого раствора (мартенсита) углерода в виде частиц ε-
карбидов с гексагональной решѐткой. Процесс зарождения карбидов начинается
в областях с повышенной свободной энергией: в районах дефектов строения,
где возможно скопление атомов углерода и на границах кристаллов мартенсита.
Поставщиком углерода при образовании карбидов является α-твѐрдый раствор,
Рис. 32. Структуры, образующиеся при
различных скоростях охлаждения эвтектоидной
стали
Page 79
т. е. мартенсит. Поэтому концентрация углерода в участках мартенсита,
окружающих частицы карбидов, резко уменьшается, в то время как в более
удалѐнных участках она сохраняется исходной.
Таким образом, в результате низкотемпературного отпуска в стали
присутствуют, кроме выделившихся ε-карбидов, два типа мартенсита – с низкой
и более высокой концентрацией углерода. Образование ε-карбидов вместо более
стабильного цементита Fе3С обусловлено тем, что сопряжение решѐток α-
раствора и ε-карбида лучше. Они когерентно связаны между собой. Поэтому
образование критического зародыша ε-карбида более вероятно по сравнению с
цементитом Fе3С.
На этой стадии отпуска аустенит в структуре сохраняется и изменений не
претерпевает. На второй стадии распада мартенсита, протекающей при 150–
350 °С, в условиях возросшей подвижности атомов углерода, продолжается
выделение карбидов. Одновременно происходит их укрупнение и превращение
ε-карбидов в цементит. В конечном счѐте при температуре около 350 °С
содержание углерода в α-твѐрдом растворе становится близким к равновесному,
а степень тетрагональности – к единице. Структуру, которую получают в
результате отпуска ниже 350 °С, называют мартенситом отпуска. От мартенсита
закалки отпущенный мартенсит отличается меньшей концентрацией в нѐм
углерода, включением дисперсных ε-карбидов, когерентно связанных с
решѐткой мартенсита и имеющих форму тонких пластинок. В результате
распада мартенсита при отпуске объѐм уменьшается.
Второе превращение при отпуске связано с распадом остаточного
аустенита. Температурный интервал этого превращения сильно зависит от
марки термообрабатываемой стали и колеблется в широких пределах: от 200–
300 °С при отпуске высокоуглеродистых и некоторых легированных
среднеуглеродистых сталей до 500–600 °С для высоколегированных сталей.
Остаточный аустенит превращается в нижний бейнит, т. е. структуру,
состоящую из низкоуглеродистого мартенсита и частиц карбидов. Эта структура
аналогична структуре, образующейся при тех же температурах при отпуске
закалѐнного мартенсита.
Третье превращение протекает при 300–450 °С. На этой стадии
завершается выделение углерода из мартенсита, и тетрагональная структура
переходит в кубическую – феррит. Кроме того, завершается карбидное
превращение, приводящее к полному переходу ε – FexC в цементит Fe3С.
Когерентность решѐток феррита и карбида нарушается и происходит
обособление фаз. Полученная в результате отпуска при температуре 300–450 °С
структура представляет высокодисперсную феррито-цементитную смесь, по
свойствам соответствующую трооститу. Эту структуру называют трооститом
отпуска.
При нагреве выше 450 °С интенсифицируются процессы сфероидизации и
коагуляции карбидов. Это четвертое превращение при отпуске стали. Очень
тонкая феррито-цементитная структура – троостит отпуска при температуре
500–600 °С превращается в более грубую – сорбит отпуска. Форма ферритных
зѐрен также становится равноосной. При температурах, близких к критической
Page 80
точке Ас1, сорбит отпуска превращается в ещѐ более грубую структуру,
получившую название перлит отпуска, или зернистый перлит (зернистый
цементит).
Таким образом, изменяя температуру отпуска закалѐнной стали, можно
получить различные структуры – от мартенсита до перлита и соответствующие
свойства. Образование зернистых структур способствует повышению предела
текучести, ударной вязкости и улучшению других свойств стали. Во время
отпуска происходит снятие внутренних напряжений.
Page 81
ГЛАВА 8. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ
8.1. Отжиг стали
К основным видам термической обработки стали относятся: отжиг,
нормализация, закалка и отпуск (рис. 33, 34).
Рис. 33. Схема различных видов отжига и нормализации
Отжиг стали производится с
целями снятия внутренних
напряжений, устранения
внутрикристаллической
ликвации, снижения твѐрдости,
получения мелкозернистой
структуры, что является
предпосылкой достижения
высоких механических свойств.
Отжиг заключается в медленном
нагреве изделий, выдержке при
заданной температуре и
медленном охлаждении. К
основным видам отжига
относятся: диффузионный,
полный, неполный и рекристаллизационный.
Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг проводят для устранения
химической неоднородности – внутрикристаллической (или дендритной)
ликвации, повышающей склонность к хрупкому разрушению при обработке
давлением, к возникновению тонких внутренних трещин – флокенов и других
дефектов. Для более полного протекания диффузионных процессов отжиг
Рис. 34. Диаграмма закалки (схема)
Page 82
проводят при высоких температурах – 1 100–1 200 °С. Общее время
диффузионного отжига – нагрев, выдержка, медленное охлаждение – достигает
80–100 и более часов. После отжига углеродистой стали получаются структуры,
близкие к равновесным: перлит в эвтектоидной стали, перлит и феррит в
доэвтектоидной стали и перлит и цементит в заэвтектоидной стали.
Высокие температуры и большая продолжительность отжига приводят к
получению крупного зерна – недостатку, который устраняется при
последующей термической обработке – полном отжиге или нормализации – или
обработке давлением.
Диффузионному отжигу подвергают слитки и крупные фасонные отливки.
Полный отжиг заключается в полной фазовой перекристаллизации стали.
Этому виду термической обработки подвергают доэвтектоидные стали. Сталь
нагревают на 30–50 °С выше температуры, соответствующей критической точке
Ас3, выдерживают при этой температуре до завершения перехода исходной
структуры в аустенит и медленно охлаждают. Образующийся аустенит обладает
мелким зерном и при охлаждении превращается в мелкозернистую феррито-
перлитную структуру. Более высокий нагрев выше значений Ас3 вызывает рост
зерна аустенита, что снижает свойства стали. Полному отжигу обычно
подвергают фасонные отливки, поковки и сортовой прокат. При этом
устраняется волокнистая структура, полученная в процессе деформации,
снимаются внутренние напряжения, повышается пластичность.
Неполный отжиг осуществляют при температуре немного выше Ас1
(обычно на 10–30 °С). Доэвтектоидные стали претерпевают частичную
перекристаллизацию: перлит полностью превращается в аустенит, а
избыточный феррит – лишь частично, в соответствии с диаграммой железо–
цементит. Неполный отжиг доэвтектоидных сталей улучшает их
обрабатываемость резанием.
Неполный отжиг чаще применяют для заэвтектоидных, т. е. твѐрдых,
преимущественно инструментальных сталей, которые с трудом обрабатываются
резанием. Цель отжига таких сталей – превращение пластинчатого перлита и
сетки вторичного цементита в структуру зернистого перлита, обладающего
большей пластичностью и лучшей обрабатываемостью резанием по сравнению
с пластинчатым перлитом. Неполный отжиг заэвтектоидных сталей,
приводящий к превращению пластинчатой формы цементита в зернистую
(сфероидальную) называют сфероидизацией.
При охлаждении ниже Аr1 центрами кристаллизации цементита зернистой
формы служат нерастворившиеся при нагреве частицы цементита, а также
области аустенита, где концентрация углерода повышена. При нагреве стали
существенно выше Ас1 выделение цементита ниже точки Аr1 происходит в
форме пластин. Это обусловлено растворением значительной части цементита и
более полной гомогенизацией аустенита.
Если избыточный цементит находится в виде сетки по границам
перлитных зерен – что очень нежелательно – такие стали для растворения
цементитной сетки предварительно подвергают нагреву выше Асm,
непродолжительной выдержке и охлаждению на воздухе, что предотвращает
Page 83
повторное выделение вторичного цементита по границам аустенитных зѐрен.
После этого проводят неполный отжиг.
Технологические параметры неполного отжига (температура нагрева,
скорость охлаждения и др.) определяются маркой стали.
Рекристаллизационному отжигу подвергают изделия, находящиеся в
стадии наклепа после прокатки, волочения и других видов холодной обработки.
Отжиг проводят при температурах, близких к критической точке Ас1 (650–
700 °С), т. е. более высоких, чем температуры начала рекристаллизации, что
обеспечивает высокую скорость рекристаллизации. В результате этого вида
отжига снижается плотность дефектов в кристаллах, изменяется текстура
металла: из деформированных зѐрен образуются новые мелкие, равноосные
зѐрна, физико-механические свойства возвращаются к исходному, характерному
для неупрочнѐнного, состоянию. Твѐрдость снижается, пластичность
возрастает. Чаще всего рекристаллизационный отжиг применяется между
операциями холодного деформирования как промежуточная операция. При
отжиге возможна коагуляция и сфероидизация цементита, что, в свою очередь,
облегчает холодную пластическую деформацию.
8.2. Нормализация стали
Нормализация заключается в нагреве стали до температуры выше
критических точек Ас3 или Асm на 50–70 °С, выдержке при этой температуре и
последующем охлаждении на спокойном воздухе. При нормализации
происходит полная фазовая перекристаллизация. Поскольку скорость
охлаждения при нормализации выше, чем при отжиге, распад аустенита
происходит при более низких температурах, что повышает дисперсность
феррито-цементитных структур. В процессе ускоренного охлаждения в
доэвтектоидных сталях частично подавляется выделение феррита, а в
заэвтектоидных – цементита. Поэтому при нормализации увеличивается
количество квазиэвтектоида типа сорбита и троостита. Вследствие образования
перлита более тонкого строения сталь приобретает повышенные значения
прочности, твѐрдости и ударной вязкости и более низкую пластичность по
сравнению с отожжѐнной.
Для низкоуглеродистых сталей нормализация как более простой вид
обработки применяется чаще, чем полный отжиг. При этом достигается
повышение производительности при обработке деталей резанием, а также более
высокая чистота их поверхности. В случае среднеуглеродистых сталей к
нормализации прибегают вместо закалки и высокого отпуска, что упрощает
технологию обработки и вызывает меньшую деформацию изделий.
Высокоуглеродистые (заэвтектоидные)и легированные стали подвергают
нормализации с целью устранения цементитной сетки вторичного цементита,
возникающей при медленном охлаждении. В результате нормализации во всех
сталях снимаются напряжения.
Близка к нормализации так называемая одинарная термическая обработка.
Отличие указанного вида термической обработки состоит в том, что
охлаждение осуществляют струей воздуха. При этом достигается более высокая
Page 84
твѐрдость, чем при нормализации, что позволяет в ряде случаев избежать
закалки и последующего отпуска. Образующиеся структуры – сорбит или
троостит.
8.3. Закалка стали
Закалка заключается в нагреве стали выше критических точек Ас3 и Ас1,
выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении
со скоростью выше критической. Главная цель закалки – достижение высокой
твѐрдости, прочности и, следовательно, износостойкости. Изделия из
доэвтектоидных сталей нагревают на 30–50 °С выше точки Ас3, что приводит к
превращению феррито-перлитной структуры в аустенитную, которая при
охлаждении со скоростью, большей критической, превращается в мартенсит
либо в мартенсит + остаточный аустенит. Так называемая неполная закалка, т. е.
закалка от температур, соответствующих интервалу Ас1 – Ас3, неприемлема,
поскольку образуется структура, в которой наряду с мартенситом будет
присутствовать мягкий феррит. Нагрев значительно выше Ас3 приводит к
формированию грубой, крупнозернистой структуры и, следовательно, более
низким свойствам.
Изделия из заэвтектоидных сталей нагревают на 30–50 °С выше
температуры Ас1. После закалки структура состоит из мартенсита, аустенита и
цементита, повышающего твердость и износостойкость. Нагрев выше точки
Асm неприемлем, поскольку высокая температура приводит к укрупнению зерна
и снижению механических свойств. Поэтому для заэвтектоидных сталей
неполная закалка является оптимальной.
Кроме температуры нагрева, на качество закалѐнных изделий оказывают
влияние продолжительность нагрева и скорость охлаждения. Время нахождения
изделий в печи, с одной стороны, должно обеспечивать завершение фазовых
превращений, а с другой – не должно быть слишком большим, чтобы не вызвать
обезуглероживания поверхностных слоев и роста зерна стали. Общая
продолжительность нагрева, включая время прогрева изделия по сечению до
требуемой температуры и время изотермической выдержки, определяется
опытным путем.
Охлаждение изделий проводят в различных средах: воде, водных растворах
поваренной соли или едкого натра, водовоздушных смесях, подаваемых через
форсунки, воздухе, минеральном масле. Указанные и другие закалочные среды
обладают различной охлаждающей способностью. Если охлаждение в любой
закалочной среде производится со скоростью выше критической, образуется
структура мартенсита, обладающая наибольшей твѐрдостью. При меньших
скоростях аустенит будет распадаться на бейнит, троостит или сорбит, имеющих
более низкую твѐрдость по сравнению с твѐрдостью мартенсита.
При выборе охлаждающей среды необходимо учитывать закаливаемость и
прокаливаемость стали. Закаливаемость – свойство стали повышать твѐрдость в
результате закалки. Закаливаемость определяется в основном содержанием
углерода в решѐтке α-железа. Под прокаливаемостью понимают способность
стали воспринимать закалку на определѐнную глубину при охлаждении от
Page 85
температуры аустенизации. Чаще всего за глубину закалѐнного слоя принимают
расстояние от поверхности изделия до зоны, состоящей из 50 % мартенсита и
50 % троостита.
Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость.
Поэтому легированные стали, вследствие высокой устойчивости
переохлаждѐнного аустенита и, следовательно, меньшей критической скорости
охлаждения, прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые.
На практике применяют различные способы закалки. Наибольшее
распространение получила закалка в одном охладителе, получившая название
непрерывной. Для углеродистых сталей и деталей сложной конфигурации этот
наиболее простой способ неприемлем ввиду возникновения значительных
напряжений и деформации. Поэтому применяют другие способы закалки,
способствующие снижению напряжений: прерывистую, ступенчатую,
изотермическую закалку, закалку с самоотпуском.
Прерывистая закалка осуществляется в двух охладителях. Сначала
изделие быстро охлаждают в воде до температуры несколько выше Мн, а затем в
менее интенсивном охладителе – в масле или на воздухе, что способствует
снижению внутренних напряжений и деформаций.
Ступенчатая закалка заключается в выдержке нагретой детали в
закалочной среде при температуре несколько выше точки Мн (обычно 180–
250 °С) и последующем охлаждении до комнатной температуры на воздухе.
Назначение выдержки – выравнивание температуры по всему сечению изделия.
При такой выдержке, однако, не должен происходить распад аустенита с
образованием бейнита.
Изотермическая закалка. Закалка по этому способу производится, как и
ступенчатая, в ванне при температурах выше точки Мн. Отличие состоит в том,
что предусматривается более длительная выдержка с целью распада аустенита с
образованием бейнита. В результате получают высокие значения прочности и
вязкости при твѐрдости HRC 40–50. Изотермическую закалку применяют для
деталей, склонных к короблению и образованию трещин.
Закалка с самоотпуском обеспечивает высокую твѐрдость поверхностного
слоя в сочетании с вязкой сердцевиной. Сущность этого способа состоит в том,
что охлаждение изделия в закалочной среде прерывают: его извлекают из ванны
и дальнейшее охлаждение осуществляют на воздухе. Под действием теплоты,
сохранившейся в сердцевине изделия, происходит самоотпуск. Закалка с
самоотпуском применяется для инструментов, «работающих» с ударными
нагрузками (зубила, молотки, кувалды, кернеры и др.).
В тех случаях, когда необходимо повысить твѐрдость и износостойкость
поверхности изделий, сохранив при этом вязкую сердцевину, применяют
поверхностную закалку. Наиболее часто нагрев поверхности под закалку
осуществляют токами высокой частоты, реже – пламенем газовой горелки. В
последнее время получила развитие поверхностная закалка при нагреве
лазером, электронным лучом и высокочастотная импульсная закалка. Это
прогрессивные методы поверхностного упрочнения, обеспечивающие
достижение высокой твѐрдости при минимальных поводках. Особенно
Page 86
перспективны эти методы при упрочнении сложных изделий, когда требуется
упрочнение отдельных участков. Процессы основаны чаще всего на самозакалке –
интенсивном отводе тепла от нагретых участков в глубь изделия.
Для уменьшения напряжений и хрупкости изделия после всех видов
закалки, исключая закалку с самоотпуском, обязательно подвергают отпуску.
8.4. Отпуск закалѐнной стали
Сразу после закалки изделия применяться не могут, так как в силу
неравновесности получаемых при закалке структур они имеют значительные
внутренние напряжения. Отпуск является окончательной операцией
термической обработки, заключающейся в медленном нагреве изделий до
температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре с последующим
охлаждением – обычно на воздухе. В результате отпуска образуется более
равновесная структура, полностью или частично снимаются внутренние
напряжения. Чем выше температура отпуска и чем медленнее охлаждение, тем
меньше остаточные напряжения.
В зависимости от температуры нагрева закалѐнной стали различают три
вида отпуска:
низкий, или низкотемпературный отпуск, который проводят при
температурах до 250 °С. Такой отпуск обеспечивает снижение внутренних
напряжений, превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска, повышение
прочности и вязкости. Твѐрдость практически не меняется и составляет HRC
58–63 для сталей с содержанием 0,5–1,3 % С. Этому виду отпуска подвергают
большинство деталей, упрочнѐнных поверхностной закалкой, цементацией,
цианированием и нитроцементацией (см. гл. 9), а также измерительный и
режущий инструмент из углеродистых и низколегированных сталей;
средний, или среднетемпературный отпуск, который проводят с
нагревом до 350–500 °С с целью получения троостита отпуска или троосто-
мартенсита. Такая термическая обработка, которая повышает вязкость и
обеспечивает высокий предел упругости, применяется в основном при
изготовлении пружин, рессор, штампов и прессформ. Твѐрдость стали
снижается до HRC 40–50;
высокий, или высокотемпературный отпуск, выполняют при 500–
680 °С с целью получения сорбита отпуска. В результате отпуска почти
полностью снимаются возникшие при закалке напряжения и образуется
специфическая форма цементитных частиц – короткие пластинки с
округлѐнными краями. Такая структура обеспечивает наилучшее соотношение
между прочностными и пластическими свойствами, высокую ударную вязкость,
снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.
Термическую обработку, включающую закалку стали на мартенсит и
последующий высокотемпературный отпуск, называют улучшением. Этому
виду термической обработки подвергают конструкционные стали с
содержанием 0,3–0,5 % С. Высокий отпуск используют для термической
обработки изделий, подвергающихся воздействию высоких напряжений
(шатуны двигателей, оси автомобилей и др.).
Page 87
ГЛАВА 9. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
9.1. Цементация
Под химико-термической обработкой понимают обработку металлов при
высоких температурах в химически активной среде – твѐрдой, газовой или
жидкой. При этом изменяется химический состав, структура и свойства
поверхностного слоя: твѐрдость, износостойкость, усталостная прочность,
эрозионная стойкость, красностойкость и др. Виды химико-термической
обработки классифицируют по элементам, которыми насыщают поверхностный
слой. Чаще всего применяют насыщение поверхностного слоя стали углеродом
– цементацию, азотом – азотирование. Рассмотрим некоторые виды химико-
термической обработки.
Цель цементации – получение твѐрдой, износостойкой поверхности.
Изделия из стали после диффузионного насыщения поверхностного слоя
углеродом подвергают отжигу или нормализации для измельчения зерна с
последующей закалкой и низким отпуском. Цементации обычно подвергают
низкоуглеродистые стали с содержанием 0,1–0,25 % С. Выбор
низкоуглеродистых сталей обусловлен тем, что сердцевина детали, не
насыщающаяся углеродом при цементации, после закалки сохраняет высокую
вязкость. Цементации может подвергаться только часть детали. Для этого не
подлежащие упрочнению участки защищают специальной огнеупорной
обмазкой или тонким слоем меди, которую наносят электролитическим
способом.
Процесс цементации проводят, как правило, при температурах выше точки
Ас3, т. е. в области аустенита, растворяющего углерод в больших количествах.
Концентрация углерода в цементованном слое убывает по глубине детали.
Поэтому в его структуре после медленного охлаждения можно различить три
зоны: заэвтектоидную (перлит + вторичный цементит), эвтектоидную (перлит) и
доэвтектоидную (перлит + феррит). Цементацию обычно проводят в твѐрдых
или газовых средах – карбюризаторах, реже – в жидких. В первом варианте
насыщающей средой является дубовый или березовый уголь с добавками
активизаторов – углекислого бария BaCO3 и кальцинированной соды Na2CO3 в
количестве 10–40 % от массы угля. Цементацию осуществляют в плотно
закупоренных стальных, реже чугунных, цементационных ящиках.
Содержащийся в них кислород воздуха, взаимодействуя с углеродом
карбюризатора, образует оксид СО:
2С + О2 → 2СО.
Оксид СО, соприкасаясь с поверхностью стальных изделий (т. е. в
присутствии железа), распадается с выделением атомарного углерода:
2СО → СО2 + Сатом.
Атомарный углерод диффундирует в аустенит, а диоксид СО2 окисляет
углерод древесного угля:
С + СО2 → 2СО,
и процесс повторяется.
Page 88
Углекислые соли способствуют обогащению карбюризатора оксидом
углерода и активизируют процесс по реакциям:
МеСО3 → МеО + СО2;
С + СО2 → 2СО.
Газовую цементацию осуществляют в газовой среде, содержащей метан
CH4 и оксид СО, которые диссоциируют с образованием атомарного углерода:
2СО → СО2 + Сатом;
СН4 → 2Н2 + Сатом.
Газовую цементацию чаще всего осуществляют в шахтных печах
периодического действия или в безмуфельных печах, действующих
непрерывно.
Процессы цементации – и газовой и твѐрдым карбюризатором – ведут при
900–950 oС. В зависимости от требуемой толщины упрочненного слоя
продолжительность процесса составляет обычно 8–12 ч. Для повышения
твѐрдости науглероженные изделия подвергают закалке на мартенсит и
низкотемпературному отпуску при 160–180 oС.
По сравнению с цементацией в твѐрдом карбюризаторе процесс газовой
цементации является более совершенным и производительным по ряду
параметров. Например, закалку можно производить непосредственно из
цементационной печи с предварительным подстуживанием, для уменьшения
коробления, до 800–860 oС , в то время как при цементации твѐрдым
карбюризатором требуется охлаждение цементационных ящиков на воздухе до
400–450 oС и извлечение из них изделий. Цементацию в жидкой среде – в
расплаве кальцинированной соды и поваренной соли с добавкой 6–10 %
карборунда (температура 880–900 oС) – применяют сравнительно редко.
В результате цементации и термической обработки изделия приобретают
высокую поверхностную твердость (58–65 HRC при твѐрдости сердцевины 20–
25 HRC), износостойкость и повышенную усталостную прочность. Толщина
цементованного слоя составляет обычно 0,5–1,8 мм. К цементации прибегают
при упрочнении шестерѐн, калибров, валов, осей и других изделий.
9.2. Азотирование (нитрирование)
К азотированию прибегают с целью повышения поверхностной твѐрдости
изделий, их износостойкости, предела усталости и коррозионной стойкости в
воздухе, воде, паре и других средах. Сердцевина сохраняет свойства исходного
материала. Перед азотированием стали закаливают, отпускают на сорбит при
650 oС и подвергают механической обработке, включая шлифование.
Окончательно шлифуют или доводят изделие после азотирования. Но можно
использовать изделия и сразу после азотирования.
Очень сильно, достигая 1 200 НV, повышается твѐрдость легированных
сталей. Больше всего этому способствуют нитридообразующие элементы:
алюминий, титан, ванадий, хром, молибден и др. Внедрѐнные в
Такая обработка не приводит к измельчению зерна и применима только к
наследственно мелкозернистой стали. – Прим. авт.
Page 89
кристаллическую решѐтку железа, атомы этих элементов повышают
растворимость азота в феррите в десятки раз, чем усиливают эффект
дисперсионного твердения. В азотированных слоях создаются значительные
остаточные напряжения сжатия, что приводит к повышению предела усталости.
Твѐрдость азотированной стали сохраняется до 550–600 oС, в то время как
цементованный слой, имеющий мартенситную структуру, начинает терять
твѐрдость уже при 200 oС.
Азотирование проводят в герметически закрытых муфельных печах в среде
газообразного аммиака NH3 при 500–700 oС. В этом интервале температур
аммиак диссоциирует с выделением атомарного азота:
NH3 → 3H + N.
Адсорбируясь на поверхности металла, атомарный азот диффундирует в
его кристаллическую решѐтку, образуя различные азотсодержащие фазы. В
соответствии с диаграммой состояния системы железо–азот ниже 591 oС
последовательно образуются следующие фазы: твѐрдый раствор азота в γ-
железе (азотистый феррит, содержащий при обычной температуре около 0,01 %
N); нитрид Fe4N с узкой областью гомогенности (5,7–6,1 % N); твѐрдый раствор
на основе нитрида Fe3N (8–11,2 % N). Выше 591 oС образуется, кроме того,
твѐрдый раствор азота в железе – азотистый аустенит, который при 591 oС и
2,35 % N в результате медленного охлаждения претерпевает эвтектоидный
распад на смесь азотистого феррита и Fe4N. При быстром охлаждении
эвтектоид претерпевает мартенситное превращение. При температурах ниже
450 oС возможно образование фазы Fe2N с узкой областью гомогенности
(~11,35 % N).
Участки изделия, не подлежащие азотированию, защищают нанесением
тонких слоев олова, жидкого стекла или никеля. На азотирование,
происходящее при сравнительно низких температурах, требуется значительно
больше времени, чем на цементацию. Так, при температуре 500–520 oС для
получения азотированного слоя толщиной 0,3–0,6 мм необходимо затратить от
24 до 90 ч. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твѐрдость
поверхностного слоя. Поэтому азотирование при температурах 600–700 oС
проводят с целью повышения коррозионной стойкости, а не твѐрдости. На
поверхности изделия образуется тонкий слой (10–40 мкм) нитрида Fe3N,
обладающего высокой коррозионной стойкостью. Твѐрдость такого слоя
относительно низкая – 800 HV.
Широкое применение получило азотирование изделий из титановых
сплавов. Процесс проводят чаще всего в среде технического азота, очищенного
от кислорода и влаги, при температуре 850–950 oС в течение 10–50 ч. Более
высокие температуры неприемлемы из-за сильного роста зерна в сердцевине.
На поверхности изделий образуется износостойкий, уменьшающий
схватывание трущихся поверхностей слой нитрида TiN толщиной 0,1–0,15 мм.
Азотированию подвергают детали авиадвигателей, дизелей, турбин,
некоторые инструменты.
Page 90
9.3. Одновременное насыщение стали углеродом и азотом (нитроцементация)
Совместное насыщение стали углеродом и азотом объединяет в один
процесс цементацию и азотирование и может проводиться из различных сред –
твѐрдой, жидкой и газовой. Основное назначение этих процессов – повышение
твѐрдости, износостойкости, предела выносливости, а иногда коррозионной
стойкости материалов.
На заводах широко применяют два процесса: нитроцементацию и
цианирование. Принципиальное отличие этих процессов заключается в том, что
нитроцементацию осуществляют в газовой среде, состоящей из
науглероживающего газа и аммиака, а цианирование – в расплавленных солях,
содержащих группу «СN».
Установлено, что при одновременном насыщении поверхностного слоя
стали углеродом и азотом диффузия углерода ускоряется.
Нитроцементацию ведут при 850–870 oС в контролируемой
эндотермической атмосфере, к которой добавляют 5–15 % природного газа и 3–
10 % NH3. Вместо эндогаза используют также экзо-эндотермическую
атмосферу (20 % Н2, 20 % СО, 60 % N2), что повышает предел выносливости и
сопротивление хрупкому разрушению. В качестве насыщающей среды иногда
применяют триэтаноламин (НОСН2СН2)3N, вводимый каплями в рабочее
пространство печи. Слой толщиной 0,25–1,0 мм формируется за 2–10 ч.
Нитроцементация отличается от газовой цементации более низкой
примерно на 100oС температурой процесса, меньшим деформированием и
короблением изделий, обеспечивает получение упрочнѐнных слоев с более
высоким сопротивлением изнашиваниюи коррозии.
Цианирование ведут в расплавленных солях, содержащих NaCN, в
широком температурном диапазоне: от 820–860 oС (среднетемпературное
цианирование, получение слоя толщиной 0,15–0,35 мм, продолжительность 30–
90 мин) до 930–960 oС (высокотемпературное цианирование, получение слоя
толщиной 0,5–2,0 мм, продолжительность 1,5–6 ч).
Цианирование по сравнению с цементацией имеет следующие
преимущества: требует меньшего времени для получения слоя одинаковой
толщины, характеризуется меньшими деформациями и короблением изделий
сложной формы, обеспечивает более высокое сопротивление металлов износу и
коррозии. Недостаток – токсичность и высокая стоимость цианистых солей.
Упрочнение стали углеродом и азотом в твѐрдой среде с использованием
древесного угля, жѐлтой кровяной соли K4Fe(CN)6 и соды Na2CO3 не получило
широкого распространения из-за малой производительности. Процесс
применяется на заводах, где нет специального оборудования для упрочнения
изделий в газовой и жидких средах.
После насыщения проводят закалку и низкотемпературный отпуск при
160–180 oС. Твѐрдость упрочнѐнного слоя составляет 58–64 HRC (HV 570–690).
При оптимальных режимах насыщения формируется структура, состоящая из
Page 91
мелкокристаллического мартенсита, мелких равномерно распределѐнных зѐрен
карбонитридов и 25–30 % остаточного аустенита.
Совместное насыщение стали азотом и углеродом широко применяют на
автомобильных и тракторных заводах.
9.4. Алитирование
Алитирование – насыщение поверхности металлических изделий
алюминием. Алитированный слой хорошо защищает от окисления изделия,
эксплуатируемые при повышенных температурах (до 1 100 oС). Это объясняется
образованием плотной плѐнки оксида Al2О3, предохраняющей металл от
окисления. Алитирование увеличивает коррозионную стойкость изделий в
азотсодержащих средах, защищает от науглероживания при нагреве в
восстановительных углеродсодержащих средах. Механические свойства
алитированного слоя невысоки.
Чаще всего алитированию подвергают изделия из низкоуглеродистой
стали, реже – из среднеуглеродистой стали, чугуна, жаропрочной стали,
жаропрочных сплавов на никелевой или кобальтовой основе.
Распространены следующие способы алитирования:
в порошкообразных смесях, содержащих алюминий или
ферроалюминий. Алитирование очищенных изделий из сталей и жаропрочных
сплавов на кобальтовой и никелевой основе осуществляют в жаропрочных
муфелях при 700–1 100 oС. Продолжительность обработки составляет от 2 до 16
ч. При этом получают толщину алитированного слоя до 1,5 мм. Способ
сравнительно прост, обеспечивает получение однородного по структуре и
равномерного по толщине слоя. Недостаток – сложность нанесения покрытия
на отдельных местах изделия;
шликерное алитирование, заключающееся в нанесении на очищенную
поверхность изделия алюминиевой краски (шликера), последующей просушке
изделия при 100–200 oС и высокотемпературном отжиге при температуре 800–
1 100 oС на воздухе, в аргоне или вакууме. Способ несложен, дает возможность
наносить покрытие на отдельных местах изделия и изделиях сложной
конфигурации (например, на лопатках турбин). Главный недостаток – трудность
получения слоя равномерной толщины и, следовательно, недостаточная
воспроизводимость свойств при одних и тех же условиях процесса;
жидкостное алитирование, которое проводят в расплавленном
алюминии или его сплавах при 670–850 oС и выдержке 2–15 мин. Используется
главным образом для алитирования изделий из стали и никелевых сплавов.
Преимущество – простота и экономичность. К недостаткам можно отнести:
трудоѐмкость подготовки поверхности и получения равномерного по толщине
слоя;
вакуумное алитирование, осуществляемое при 10-2
–10-5
мм рт. ст., 950–
1 200 oС и выдержке 2–8 ч. Способ основан на испарении алюминия и его
осаждении на изделиях.
Алитированный слой стали представляет собой твѐрдый раствор алюминия
в α-железе. При алитировании изделий из никеля образуются
Page 92
интерметаллические соединения NiAl, Ni3Al, твѐрдый раствор алюминия в
никеле.
Алитирование используют при обработке лопаток, сопловых аппаратов
турбин, автомобильных клапанов, как технологическую защиту проката и т. п.
Алитирование не следует отождествлять с алюминированием.
Алюминирование – нанесение на поверхность металлических изделий
покрытий из алюминия или его сплавов. Алитирование можно рассматривать
как разновидность алюминирования.
9.5. Борирование
Борирование – насыщение поверхностного слоя металлических изделий
бором. Борирование осуществляют с целью повышения поверхностной
твѐрдости и износостойкости изделий, реже – их коррозионной стойкости и
теплостойкости. Борированию подвергают изделия из железа, сплавов на его
основе и тугоплавких металлов. Различают три вида борирования: твѐрдое,
жидкостное и газовое.
Твѐрдое (или порошковое) борирование проводят в контейнерах в
порошковых смесях, содержащих порошкообразный боризатор (аморфный бор,
карбид бора, ферробор и другие соединения) и специальные добавки. Для
получения борированного слоя толщиной 0,1–0,3 мм на сталях насыщение
осуществляют при 900–1 100 oС в течение 5–6 ч. Разновидностью твѐрдого
борирования является вакуумное борирование, осуществляемое при давлении
10-3
мм рт. ст. и высоких температурах в результате испарения аморфного бора
или карбида бора. Пары конденсируются на поверхности обрабатываемой
детали, и бор диффундирует в металл.
Жидкостное борирование сталей (электролизное и безэлектролизное)
проводят при 850–1 000 oС в расплавах различных солей с введением в них
борсодержащих компонентов. Часто используемое электролизное борирование
обычно осуществляют в расплаве буры, которая под действием температуры и
вследствие наложения постоянного электрического тока диссоциирует с
выделением атомов бора, диффундирующего в изделие.
Газовое борирование проводят при термической диссоциации
газообразных соединений бора – диборана В2Н6, трѐххлористого бора BCl3 и
других, обычно в смеси с водородом. При газовом борировании насыщение
протекает интенсивнее, чем при твѐрдом или жидкостном. На стальных
изделиях слой боридов толщиной 0,1–0,2 мм при температуре 800–900 oС
образуется за 2–5 ч. Борированный слой обладает высокой твѐрдостью (HV
1 800–2 000) и состоит, как правило, из двух фаз – моноборида FeB (16,25 % В)
и борида Fe2B (8,48 % В). Борированию подвергают втулки и штоки буровых
насосов, элементы гусениц тракторов, звенья цепных пил, детали вытяжных и
гибочных штампов и другие изделия, эксплуатируемые в условиях абразивного
износа. Износостойкость деталей после борирования возрастает в 2–10 раз.
В промышленности, кроме рассмотренных выше процессов, используются:
хромирование – насыщение поверхности стальных изделий хромом,
силицирование – насыщение кремнием, сульфидирование – насыщение серой и
Page 93
другие процессы, в том числе насыщение двумя и большим количеством
компонентов.
Page 94
ГЛАВА 10. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
10.1. Конструкционные стали
Из миллиарда тонн материалов, ежегодно производимых на нашей планете,
99 % – материалы конструкционные. К основным металлическим
конструкционным материалам относятся сплавы на основе железа, алюминия,
меди, никеля, титана, магния, цинка. Технически чистые металлы в качестве
конструкционных применяются редко.
К конструкционным сталям относят стали, которые применяются для
изготовления конструкций и сооружений, деталей машин и механизмов.
Конструкционные стали должны гарантировать надѐжную работу материала
при эксплуатации и обладать хорошими технологическими свойствами.
Конструкционные стали могут быть как углеродистыми, так и легированными .
Конструкционные стали подразделяют по химическому составу, качеству,
степени раскисления, типу структуры, прочности и назначению, т. е. по самым
разнообразным признакам. Единой системы классификации в настоящее время
нет. Рассмотрим наиболее распространѐнные конструкционные стали, как это
представляется в современной литературе.
Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества. В
зависимости от гарантируемых свойств стали обыкновенного качества согласно
ГОСТ 380-71 подразделяли на стали следующих трех групп :
А – поставляемые промышленностью по механическим свойствам без
уточнения химического состава. Стали этой группы обозначаются буквами Ст и
цифрами 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 (Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст3Г, Ст4, Ст5, Ст5Г, Ст6. Буква Г
указывает на повышенное содержание марганца в стали);
Б – поставляемые с гарантированным химическим составом. Стали
этой группы обозначаются аналогично сталям группы А, но с той разницей, что
в начале марки ставится буква Б (БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт3Г, БСт4, БСт5,
БСт5Г, БСт6);
В – поставляемые с гарантированным химическим составом и
механическими свойствами (ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт3Г, ВСт4, ВСт5, ВСт5Г).
Чем больше число в обозначении марки, тем больше содержание углерода
и, следовательно, выше прочность (ζВ, ζ0,2) и ниже пластичность стали (δ, ψ).
Легированные стали - стали, содержащие в своем составе специально
введенные легирующие элементы или повышенное количество кремния или
марганца – более 0,5–1,0 %. – Прим. авт.
В новом ГОСТ 380-94 такого подразделения нет. Во избежание
возможных вопросов у пытливого читателя, просматривающего литературу
разных лет, представляется целесообразным кратко привести «устаревшую»
информацию. Межгосударственный стандарт ГОСТ 380-94 введен в действие
непосредственно в качестве государственного стандарта Российской Федерации
с 1 января 1998 г. Марки углеродистой стали обыкновенного качества по новому
ГОСТ приведены ниже. – Прим. авт.
Page 95
Стали группы В обладают повышенным качеством и поставляются по особым
техническим условиям.
В зависимости от степени раскисления и характера затвердевания металла
в изложнице различают спокойную, полуспокойную и кипящую стали.
Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, находящегося в
виде оксида FeO (традиционное название закись железа) и способствующего
хрупкому разрушению при горячей деформации.
Кипящие стали раскисляют только марганцем (неполное раскисление).
Поэтому в этих сталях содержится повышенное количество закиси железа,
которая при затвердевании металла частично взаимодействует с углеродом,
образуя пузырьки CO. Всплывая в верхнюю часть слитка и удаляясь из жидкого
металла с увеличением объема, пузыри CO создают впечатление кипения стали,
что и обусловило еѐ название. Спокойные стали раскисляют марганцем,
кремнием и алюминием (полное раскисление). Эти стали содержат
минимальное количество закиси железа и затвердевают ««спокойно» без
газовыделения. Полуспокойные стали представляют стали промежуточного
типа.
В верхней части слитка спокойной стали образуется усадочная раковина и
околоусадочная рыхлость, удаляемые при прокатке обрезкой или обрубкой. В
слитке кипящей стали за счѐт большого количества газовых пузырей,
компенсирующих уменьшение объѐма металла при его застывании, усадочная
раковина отсутствует.
При маркировке кипящую, полуспокойную и спокойную стали обозначают
символами «кп», «пс» и «сп». Эти индексы добавляют после номера марки и
буквы Г, например: Ст1кп, БСт5пс, ВСт3сп. Индекс «сп» может и не
приводиться. Стали марок Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяют.
Углеродистые стали выпускают всех трѐх типов, легированные – обычно
спокойными. Углеродистые стали всех трѐх групп используются для
изготовления металлоконструкций и слабонагруженных деталей машин. Эти
стали обычно содержат до 0,6 % C и могут иметь повышенное содержание серы
и фосфора – до 0,05 и 0,04 % соответственно. Стали группы А термической
обработке не подвергают. По ГОСТ 380-94 углеродистую сталь обыкновенного
качества изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп,
Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп,
Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.
Буквы Ст обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в
зависимости от химического состава, буквы «кп», «пс», «сп» – степень
раскисления («кп» – кипящая, «пс» – полуспокойная, «сп» – спокойная).
Углеродистые и легированные конструкционные качественные стали.
Содержание серы и фосфора в этих сталях не должно превышать 0,035 %
каждого. Углеродистые качественные стали маркируют цифрами (числами) 08,
10, 15, 20, 25 и далее до 85, показывающими среднее содержание углерода в
сотых долях процента. Легированные конструкционные стали маркируются
сочетанием цифр и букв, например: 35Х, 15ХФ, 20Х2М, 12ХН2. Первые две
цифры, стоящие в начале марки, указывают среднее содержание углерода в
Page 96
сотых долях процента, буквы – легирующий элемент, а следующие за буквами
цифры – примерное содержание соответствующего элемента в процентах. Если
после буквы цифры нет, содержание легирующего элемента в стали не
превышает 1,5 % (за исключением молибдена и ванадия, содержание которых в
большинстве сталей составляет 0,1–0,3 %).
Приняты следующие обозначения легирующих элементов: А – азот, Б –
ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М –
молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф –
ванадий, X – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельный, Ю – алюминий.
Конструкционные стали высококачественные и особо
высококачественные. По химическому составу стали высококачественные – это
главным образом легированные стали. Содержание серы и фосфора в этих
сталях не превышает 0,025 % каждого. При обозначении высококачественной
стали в конце марки приписывается буква А. Например, сталь 34ХН3М –
качественная, а сталь 34ХН3МА – высококачественная.
В особо высококачественных сталях содержание углерода и легирующих
такое же, как и в соответствующих марках высококачественных сталей.
Содержание серы и фосфора наименьшее – до 0,015 и 0,025 % соответственно.
Особо высококачественные стали обозначаются буквой Ш в конце марки,
например: 30ХГСШ.
Конструкционные цементуемые углеродистые и легированные стали. Эти
стали содержат 0,1–0,25 % углерода. Небольшие детали, работающие на износ
при малых нагрузках, т. е. в условиях, когда прочность сердцевины не
оказывает существенного влияния на эксплуатационные свойства, изготовляют
из углеродистых сталей марок 10, 15, 20. Тяжелонагруженные крупные детали,
в которых кроме высокой твѐрдости поверхности необходимо иметь прочную
сердцевину, изготовляют из легированных сталей марок 12Х2Н4А, 18ХГТ,
18Х2Н4ВА и других. После цементации, закалки и низкотемпературного
отпуска твѐрдость поверхности составляет 60–64 НRС, а твѐрдость сердцевины
30–40 НRС.
Широко используются хромистые, хромованадиевые, хромоникелевые,
хромомарганцевые, хромомарганцевоникелевые стали, а также стали,
легированные бором.
Цементация (и нитроцементация) применяется для упрочнения валов
коробки передач автомобилей, валов быстроходных станков, зубчатых колѐс и
многих других деталей машин и механизмов.
Конструкционные улучшаемые углеродистые и легированные стали. К
улучшаемым сталям относятся среднеуглеродистые стали (0,3–0,5 % C),
подвергаемые закалке от 820–880 °С в масле (крупные детали – в воде) и
высокотемпературному отпуску при 550–680 °С (улучшению). Углеродистые
стали марок 40 и 45 используют для изготовления деталей небольших сечений и
испытывающих небольшие напряжения. Легированные стали марок 45Х,
30ХГС, 40ХНМ и многих других, обладающих высокой прочностью и
достаточно хорошей закаливаемостью и прокаливаемостью, используют для
Page 97
изготовления деталей значительного сечения и работающих при высоких
нагрузках.
Широкое применение нашли хромистые, хромомарганцевые,
хромокремнемарганцевые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и
хромоникельмолибденованадиевые стали.
Улучшаемые стали используются для изготовления коленчатых валов,
шатунов, клапанов, шпинделей, зубчатых колѐс, валков горячей прокатки, муфт,
дисков паровых турбин и других «ответственных» деталей. Высокая
поверхностная твѐрдость достигается закалкой токами высокой частоты.
Рессорно-пружинные стали. Указанные стали используют для
изготовления рессор, пружин и упругих элементов различного назначения.
Основные требования к этим сталям – высокое сопротивление малым
пластическим деформациям (высокий предел упругости) и высокий предел
выносливости при достаточных пластичности и сопротивлении хрупкому
разрушению. Стали должны обладать хорошей закаливаемостью и
прокаливаемостью.
Этими свойствами обладают углеродистые стали, содержащие более 0,5–
1,0 % С (например, стали 65, 85), а также стали, легированные кремнием,
марганцем, вольфрамом, ванадием, хромом и другими элементами (стали марок
50С2, 60С2А, 70С3А, 60С2ХФА, 65С2ВА и др.). Стали подвергают закалке от
830–850 °С в масле (в случае больших сечений – в воде) и отпуску при
температуре 400–520 °С.
После закалки по всему объѐму должна быть мартенситная структура.
Присутствие остаточного аустенита, продуктов эвтектоидного или
промежуточного превращений ухудшает пружинные свойства.
Шарикоподшипниковые стали. Сталь, предназначенная для изготовления
подшипников качения (наружные и внутренние кольца, шарики и ролики),
должна обладать высокой твѐрдостью, износостойкостью и сопротивлением
контактной усталости. Основная сталь, используемая для этой цели, – сталь
ШХ15, где число, делѐнное на 10, означает среднее содержание хрома в
процентах (0,95–1,05 % С, 1,30–1,65 % Сr).
Термическая обработка подшипниковой стали заключается в следующем.
Сначала сталь подвергают отжигу, который обеспечивает получение
однородной структуры мелкозернистого перлита с твердостью НВ 178–207,
обладающего удовлетворительной обрабатываемостью резанием и достаточной
пластичностью при холодной штамповке шариков и роликов. После этого
кольца, шарики и ролики подвергают закалке от 840–860 °С в масле для
получения структуры мартенсита и низкому отпуску при 150–170 °С (HRC
61-65).
Износостойкие стали. В качестве износостойкой стали широкое
применение нашла высокомарганцовистая сталь 110Г13Л, содержащая 0,9–
1,3 % С и 11,5–14,5 % Mn. Из нее изготавливают крестовины железнодорожных
и трамвайных путей, ковши экскаваторов, щѐки дробилок и другие детали
машин и механизмов, работающих в условиях абразивного изнашивания,
высоких давлений и ударных нагрузок.
Page 98
После литья структура стали 110Г13Л состоит из аустенита и избыточных
карбидов (Fe,Mn)3С, выделяющихся по границам зѐрен и снижающих
прочность и вязкость стали. Литые изделия подвергаются закалке с нагревом до
1 100 °С и охлаждением в воде. При такой термообработке карбиды
растворяются и сталь приобретает более устойчивую аустенитную структуру.
Характерной особенностью стали 110Г13Л является еѐ способность сильно
упрочняться под действием холодной деформации. При ударных нагрузках
происходит деформационное упрочнение аустенита и образование ε-мартенсита
с ГПУ-решѐткой, что приводит к высокой износостойкости. В условиях чистого
абразивного изнашивания и при небольших ударных нагрузках мартенситное
превращение не протекает и износостойкость стали невысокая.
Фосфор, образующий по границам зѐрен хрупкую фосфидную эвтектику,
придает стали хладноломкость. Поэтому при использовании этой стали в
районах севера содержание фосфора не должно превышать 0,02–0,03 %.
При циклическом контактно-ударном нагружении и ударно-абразивном
изнашивании высокой стойкостью обладает литая сталь 60Х5Г10Л, также
претерпевающая при эксплуатации мартенситное превращение. В условиях
изнашивания при кавитационной эрозии применяют стали 3ОХ10Г10,
ОХ14АГ12 и ОХ14Г12М, испытывающие при эксплуатации частичное
мартенситное превращение (судовые гребные винты, лопасти гидротурбин и
гидронасосов и другие детали).
Жаропрочные стали и сплавы. Жаропрочностью называют свойство
материалов сопротивляться деформированию и разрушению под действием
механических нагрузок в области высоких температур. Жаропрочные стали и
сплавы характеризуются высоким сопротивлением ползучести, длительной
прочностью, большим сопротивлением знакопеременным нагрузкам и
жаростойкостью (окалиностойкостью).
Рабочие температуры жаропрочных сталей составляют 500–750 °С, причѐм
при температурах до 600 °С обычно используют стали на основе α-твѐрдого
раствора, а при более высоких температурах – на основе аустенитного γ-
твѐрдого раствора.
Для изготовления сравнительно мало нагруженных деталей и узлов
энергетических установок, работающих при температурах до 500–580 °С и
подверженных ползучести, используют низкоуглеродистые стали перлитного
класса, легированные хромом, молибденом и ванадием (16М, 15ХМ, 12Х1МФ и
др.). Эти элементы повышают температуру рекристаллизации феррита и
затрудняют диффузионные процессы, повышая тем самым жаропрочность
стали. Перлитные стали обычно подвергают нормализации и отпуску при 600–
750 °С, что обеспечивает получение тонкопластинчатого перлита (сорбита) и
более высокую длительную жаропрочность по сравнению с закалкой и высоким
отпуском, приводящим к формированию зернистого сорбита. Для изготовления
деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок (лопатки, турбинные
К жаропрочным сталям относят сплавы на основе железа, если его
содержание превышает 50 %. –Прим.авт.
Page 99
диски и роторы, клапаны автомобильных и авиационных двигателей)
применяют мартенситные и мартенситно-ферритные сложнолегированные
стали, например: 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ, 40Х9С2 (сильхром), 40Х10С2М,
18Х12ВМБФР. В состав этих сталей входят хром, молибден, вольфрам, ванадий,
ниобий, титан, бор и другие элементы, которые, повышая температуру
рекристаллизации, образуя карбиды и фазы Лавеса – Fe2W (Fe2Mo),
увеличивают жаропрочность. Рабочие температуры некоторых сталей могут
достигать 600–620 °С. Для получения оптимальной жаропрочности
высокохромистые стали подвергают закалке на мартенсит и отпуску. Структура
сталей после отпуска – сорбит и троостит.
Жаропрочность аустенитных сталей выше, чем перлитных и мартенситно-
ферритных сталей. Из них изготавливают детали, работающие при 500–750 °С.
Стали содержат большие количества хрома, никеля и марганца, дополнительно
легируются молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием и бором, что в
совокупности обеспечивает их высокую жаропрочность.
По способу упрочнения аустенитные стали делят на три группы:
стали со структурой твѐрдых растворов, содержащие сравнительно
небольшое количество легирующих элементов и не упрочняемые старением,
например: 09Х14Н16Б, 09Х14Н18В2БР, 09Х14Н19В2БР. Эти стали применяют
после закалки от 1 100–1 160 °С в воде или воздухе;
стали со структурой твѐрдых растворов и карбидным упрочнением
(45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС и др.). Упрочняющими фазами являются как
первичные карбиды, так и вторичные, выделяющиеся из твѐрдого раствора;
стали со структурой твѐрдых растворов и интерметаллидным
упрочнением, например, 10Х11Н20Т3Р и 10Х11Н23Т3МР. Упрочняющими
фазами в этих сталях являются интерметаллиды Ni3Аl, Ni3Ti, Ni3(Ti,Al), Ni3Nb
и др.
Аустенитные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением
подвергают закалке с температур 1 050–1 200 °С в воде, масле или на воздухе и
последующему старению при температуре 600–850 °С. Высокая температура
закалки необходима для растворения карбидных и интерметаллидных фаз в
аустените и получения после охлаждения высоколегированного твѐрдого
раствора с относительно небольшой твѐрдостью. Во время старения из твѐрдого
раствора выделяются дисперсные фазы, упрочняющие сталь. Иногда
применяют двойную закалку и двойное старение.
К группе жаропрочных сплавов относятся сплавы на железоникелевой и
никелевой основе. Сплавы на никелевой основе, называемые нимониками,
предназначены для изготовления деталей с длительным сроком эксплуатации
при 650÷850°С. Высокая жаропрочность формируется при старении закалѐнных
сплавов в процессе выделения интерметаллидной γ-фазы, т. е. Ni3(Ti,Al), или
фазы Ni3Al. Широко используются никелевые сплавы ХН77ТЮР и
ХН70ВМТЮ.
Page 100
10.2. Конструкционные сплавы на основе алюминия, титана, магния, меди, никеля и цинка
Сплавы на основе алюминия. Технический алюминий (АД и АД1) из-за
низкой прочности применяют только для изготовления элементов конструкций
и деталей, не несущих нагрузки, когда требуется высокая пластичность,
хорошая свариваемость, сопротивление коррозии и высокие теплопроводность
и электропроводность. Так, например, из технического алюминия изготовляют
различные трубопроводы, палубные надстройки речных и морских судов,
корпуса часов, витражи, перегородки в комнатах, двери, рамы, посуду,
цистерны для молока и многое другое.
Сплавы на основе алюминия в промышленных масштабах используются со
второй половины 19 в. и отличаются малой плотностью, высокими
коррозионной стойкостью, теплопроводностью и удельной прочностью.
Алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные.
Деформируемые предназначены для получения полуфабрикатов (листов, плит,
прутков, профилей, труб и т. д.), а также поковок и штамповых заготовок.
Литейные используют для фасонного литья.
Деформируемые сплавы обладают высокой пластичностью,
свариваемостью, легко обрабатываются всеми видами механической обработки,
не становятся хрупкими при низких температурах. Их подразделяют на
неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой. Механические
свойства неупрочняемых сплавов улучшают легированием и нагартовкой, а
упрочняемых сплавов – закалкой и старением (естественным или
искусственным), а также дополнительной нагартовкой.
Для повышения пластичности сплавы подвергают отжигу. Основными
легирующими элементами деформируемых сплавов являются медь, магний,
марганец, кремний, цинк и хром. Деформируемые сплавы повышенной
пластичности (АД31, АД33, АД35 и АВ) технологичны, легко поддаются
цветному анодированию и эмалированию, отличаются высокой пластичностью
в горячем, отожжѐнном, свежезакалѐнном и естественно состаренном
состоянии, что позволяет подвергать их штамповке, вытяжке, экструзии и т. д.
Сплавы удовлетворительно свариваются аргоно-дуговой, роликовой и точечной
сваркой. Применяют для изготовления изделий, в которых необходимо
сочетание прочности, высокой технологичности, коррозионной стойкости и
хорошего декоративного вида.
Сплавы марок АК6 и АК8, относящиеся к ковочным, имеют сравнительно
высокие технологические и механические свойства и применяются в виде
поковок, штамповок, а также прессованных профилей и листов.
Высокопластичный сплав АК6 служит для изготовления крыльчаток
компрессоров и вентиляторов, стоек, подмоторных рам и других силовых
деталей. Высокопрочный сплав АК8 (супердуралюмин) применяют для
изготовления высоконагруженных конструкций.
К деформируемым конструкционным относятся сплавы типа дуралюмина,
упрочняемые термической обработкой. По сравнению с другими
Page 101
алюминиевыми сплавами они отличаются повышенной жаропрочностью,
однако их коррозионная стойкость понижена. Наиболее широко дуралюмины
применяют в авиации.
К термически упрочняемым относятся и свариваемые сплавы. Например,
марка 1915 системы Al–Zn–Mg, отличительной особенностью которой является
самозакаливаемость. Эти сплавы высокопрочны и при комнатной и при низкой
температурах хорошо свариваются, обладают высокой пластичностью в
горячем состоянии. Полуфабрикаты в виде листов, поковок и штамповок
находят применение в строительстве зданий, мостов, в вагоно- и
автомобилестроении, электротехнике, точной механике и т. д.
Деформируемые легированные литием и кадмием сплавы марки ВАД 23
относятся к высокопрочным конструкционным, имеют низкую плотность,
повышенный модуль упругости и достаточную жаропрочность. Прессованные
полуфабрикаты из сплава марки ВАД 23 отличаются высокой длительной
прочностью и сопротивлением ползучести.
Сплавы для фасонного литья обладают высокой жидкотекучестью,
небольшой усадкой, малой склонностью к образованию трещин и пористости в
сочетании с хорошими механическими свойствами и сопротивлением коррозии.
Основными легирующими элементами литейных сплавов являются медь,
кремний, магний, марганец, титан, никель и цирконий.
Сплавы марок АК12 (АЛ2), АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9), в которых
оптимально сочетаются хорошие литейные свойства и герметичность,
применяют для отливки деталей, эксплуатируемых под давлением до 350–500
ат. Коррозионностойкие сплавы (например, АМг6л, АЛ23, АМг10, АЛ27)
используют для изготовления изделий, эксплуатируемых в морской воде (марки
и технические условия алюминиевых сплавов см. в ГОСТ 1583-93 и ГОСТ
4784-97).
Сплавы на основе титана. Отечественная промышленность располагает
большой номенклатурой титановых сплавов различного назначения.
Исторически сложившаяся система маркировки титановых сплавов отражает
наименование организации-разработчика и порядковый номер разработки
сплава. Например, марка ВТ означает «ВИАМ титан», затем указывается
порядковый номер сплава. Сплавы, разработанные совместно ВИАМ и заводом
ВСМПО (г. Верхняя Салда Свердловской области), обозначаются маркой ОТ
(«Опытный титан»). Марка ПТ означает «Прометей титан». Разработчик этих
сплавов – ЦНИИ КМ («Прометей», г. Санкт-Петербург). В марку сплава могут
быть добавлены буквы «У» (улучшенный), «М» (модернизированый), «И» –
специального назначения. Буква «Л» означает литейный сплав. Встречаются и
другие обозначения.
Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность ζв/γ,
жаропрочность, значительную коррозионную стойкость во многих агрессивных
средах. Для повышения прочности сплавы легируют марганцем, железом,
алюминием, молибденом, хромом, ванадием и другими элементами.
Page 102
Легирование алюминием, уменьшающим удельную массу, повышает
удельную прочность, жаропрочность и снижает склонность к водородной
хрупкости.
По структуре титановые сплавы подразделяют на α-сплавы, псевдо α-
сплавы, α + β-сплавы, псевдо β-сплавы и β-сплавы.
По механическим характеристикам различают сплавы высокопластичные –
малопрочные, средней прочности, высокопрочные, для эксплуатации при
низких температурах и литейные.
К высокопластичным относятся сплавы марок ОТ4-0, ОТ4-1 и АТ-2 с
пределом прочности на растяжение до 70 кгс/мм2, деформируемые в холодном
состоянии. У сплавов средней прочности (марки ОТ4, АТ-3, 4201, НТ-50, ВТ5,
ВТ5-1, ВТ6С, ВТ4, АТ-4, ТС5, ВТ20 и ОТ4-2) предел прочности на растяжение
75–100 кгс/мм2. Они хорошо свариваются и отличаются удовлетворительной
термической стабильностью. Высокопрочные титановые сплавы – термически
упрочняемые (марки ВТ6, АТ-6, ВТ3-1, ВТ14, ВТ16, ВТ22, ВТ25, ВТ15 и ТС6).
Высокая прочность (180–200 кгс/мм2) достигается не только легированием, но и
дисперсным упрочнением при закалке и старении. Высокопрочные сплавы
отличаются высокой жаростойкостью и жаропрочностью до температуры
400 °С.
Для эксплуатации при низких температурах используют сплавы марок АТ-
2, АТ-3, ОТ4, ВТ5-1 и ВТ6С.
Для фасонного литья применяют сплавы ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, обладающие
достаточно хорошими литейными свойствами.
Вышеуказанное сочетание свойств предопределило применение титановых
сплавов в авиационной и космической технике, в химической, нефтяной и
пищевой промышленности, в судостроении и других областях (марки и
свойства см. в ГОСТ 19807-74 и ГОСТ 19807-91).
Сплавы на основе магния. В промышленном масштабе впервые получены в
Германии в 1909 г. под названием «Электрон». Это самые легкие
конструкционные металлические материалы, отличающиеся высокой удельной
прочностью, способностью к поглощению энергии удара и вибрационных
колебаний, а также отличной обрабатываемостью резанием. От коррозии
сплавы защищают оксидированием и нанесением лакокрасочных покрытий.
Магниевые сплавы подразделяют на литейные (МЛ) и деформируемые (МА).
Широкое применение нашли: сплавы, легированные марганцем; сплавы,
легированные алюминием, цинком и марганцем; сплавы, легированные
цирконием и цинком; сплавы, легированные редкими и редкоземельными
металлами; сплавы, легированные литием.
По свойствам сплавы магния подразделяют на высокопрочные (например,
марки МЛ5, МЛ5о.н., МЛ8, МЛ12, МЛ15, МА5 и МА14), жаропрочные
(например, МЛ9, МЛ10, МЛ11) и коррозионностойкие (например, МЛ4,
МЛ4п.ч., МЛ5п.ч., МА1, МА8).
Марганец повышает коррозионную стойкость сплавов, увеличивает их
прочность. Алюминий увеличивает прочность и модифицирует структуру
магния в литом состоянии, особенно при перегреве сплава. Цинк измельчает
Page 103
зерно и повышает прочность. Цирконий наиболее интенсивно измельчает зерно
и увеличивает пластичность сплава, рафинирует его. Редкоземельные и редкие
металлы увеличивают сопротивление ползучести сплава при повышенной
температуре (до 250 °С), уменьшают микропористость, компенсируют
повышенную хрупкость, вызванную наличием цинка. Литий (более 10 %)
значительно повышает пластичность.
В некоторые магниевые сплавы вводят также серебро, бериллий, кальций,
кадмий, олово и торий. Серебро дает возможность создавать сплавы,
упрочняемые при термической обработке. Бериллий уменьшает окисляемость
сплава, но огрубляет зерно в сплавах на основе систем «Mg – Al» и «Mg – Zr»,
кальций измельчает зерно, но увеличивает склонность к горячеломкости и
ухудшает свариваемость, уменьшает окисляемость сплава при плавке и литье.
Добавка кальция к деформируемым сплавам на основе системы «Mg – Al – Zn»
увеличивает пластичность. Олово, повышая прочность, уменьшает
пластичность. Торий увеличивает сопротивление ползучести сплава при
испытаниях до температуры 350 °С, повышает пластичность, подавляет
образование микропористости в сплавах, содержащих цинк. Примеси железа,
меди, кремния и никеля понижают коррозионную стойкость, ухудшают
механические свойства сплава. Магний образует с легирующими элементами
интерметаллические соединения, называемые иногда «магниды» и существенно
влияющие на свойства сплава (в монографиях «Магниды» [21] и
«Магниетермия» [22] подробно описаны свойства, получение и области
применения этих веществ).
Из деформируемых сплавов изготовляют прессованные прутки, профили,
полосы и трубы, катаные листы и плиты, штамповки и поковки.
Магниевые сплавы используют в автомобилестроении и тракторостроении,
для изготовления деталей двигателей, рам, колес, передвижных тележек,
цистерн, в текстильной промышленности (например, бобины) и
полиграфической (например, клише), в производстве электро- и радиоприборов,
телефонов, оптической аппаратуры (корпуса кино- и фотоаппаратов, бинокли и
пр.), переносного инструмента.
Все более широкое применение находят магниевые сплавы в авиа-, судо- и
ракетостроении. Химический состав и свойства регламентируют ГОСТ 2581-89,
2856-79, 14957-76.
Сплавы на основе меди. По химическому составу медные сплавы
подразделяются на медноцинковые (латуни), бронзы и медноникелевые.
Марки латуней обозначают буквой «Л» и цифрой, указывающей среднее
содержание меди. В обозначениях марок многокомпонентных латуней после
буквы «Л» следуют начальные буквы легирующих элементов, а после цифры –
их содержание в процентах. Например, Л70 – латунь, содержащая 70 % Cu или
ЛАЖ 60-1-1 – латунь с содержанием 60 % Cu, легированная алюминием в
количестве 1 % и железом в таком же количестве. Содержание цинка
определяется по разности от 100 %.
Page 104
Бронзы – сплавы меди, в которых цинк либо отсутствует, либо не является
основным легирующим элементом. Исторически первыми бронзами были
оловянистые, использовавшиеся еще 3 тыс. лет до н. э.
Бронзы маркируют начальными буквами «Бр», а затем начальными
буквами наименований химических элементов, входящих в состав сплава в
порядке убывания их процентного содержания. Далее, как и при маркировке
латуней, идут цифры среднего содержания элемента. Например, Бр ОЦС 6-6-3
содержит 6 % олова, 6 % цинка, 3 % свинца, остальное – медь.
Медноникелевые сплавы (мельхиор и нейзильбер) обозначаются буквами
МН и далее так же, как латуни и бронзы. Например, мельхиор МНЖМц 30-0,8-1
содержит 30 % никеля, 0,8 % железа, 1 % марганца, остальное – медь.
Нейзильбер (от нем. Neusilber, букв. – новое серебро) – сплав меди с
никелем и цинком. Химический состав нейзильбера регламентирует ГОСТ 492-
73. В России производят нейзильбер марки МНЦ 15-20 и свинцовистый
нейзильбер марки МНЦС 16-29-1,8. Сплав технологичен, легко поддается
пайке, сварке, полированию, штампованию, обработке резанием. Отличается
хорошими механическими свойствами, электропроводимостью, большой
коррозионной стойкостью в атмосфере, в морской и пресной воде, немагнитен.
Латуни – самые распространѐнные сплавы, известные с древних времен.
По способу обработки их подразделяют на деформируемые (поддающиеся
обработке давлением) и литейные – с хорошими литейными свойствами. У
латуней хорошие механические свойства, высокая коррозионная стойкость,
пластичность при достаточной прочности, жидкотекучесть. Они несклонны к
ликвации, мало подвержены окислению, диамагнитны. Высокая пластичность
однофазных латуней, содержащих до 30 % цинка, при температуре ниже 300 °С
определяет возможность изготовления из них тонких листов, лент и проволоки.
Латуни применяют в машиностроении, в автомобильной и часовой
промышленности, в приборостроении (химический состав и свойства латуней
см. в ГОСТ 931-84, 2060-90, 20707-75, 15527-98, ГОСТ Р 50425-92).
Бронзы, как и латуни, подразделяют на деформируемые и литейные. Их
отличают высокие антикоррозионные и антифрикционные свойства, большая
прочность и твѐрдость. Двухфазные сплавы обрабатывают давлением только в
горячем состоянии, используя их преимущественно как литейные. Большинство
однофазных деформируемых бронз, например, оловянистые, алюминиевые,
бериллиевые и другие, упрочняют пластическим деформированием.
Из бронз изготовляют полосы, ленты, листы, прутки, трубы, профили,
проволоку и другие изделия.
Оловянистые бронзы применяют в общем машиностроении, если
требуется сочетание высоких антикоррозионных и антифрикционных свойств,
электро- и теплопроводности. Их используют для производства пружин и
пружинящих деталей, а также для изготовления герметичной пароводяной
арматуры, эксплуатируемой под давлением, а также для деталей, работающих в
условиях трения (подшипники, втулки, вкладыши и др.).
Из медноникелевых сплавов к конструкционным относят мельхиор и
нейзильбер. Мельхиор – сплав меди с никелем, железом и марганцем.
Page 105
Химический состав регламентируется ГОСТ 492-73. Мельхиор отличается
повышенными механическими свойствами, высокой коррозионной стойкостью
в пресной и морской воде, удовлетворительно обрабатывается, имеет высокие
тепло- и электропроводность. Полуфабрикаты из мельхиора изготавливают в
виде лент, труб, прутков. Мельхиор МНЖМц 30-0,8-1 стоек в атмосферных
условиях, в среде парового конденсата и против струевой коррозии. Его
применяют в судостроении для изготовления конденсаторных труб. Мельхиор
МН19 применяют в электровакуумной промышленности, химическом
машиностроении для изготовления медицинских инструментов, сеток, деталей
точной механики, а также изделий массового потребления – посуды, монет и др.
Нейзильбер марки МНЦ 15-20 после холодной прокатки ленты с обжатием
80 % имеет ζв = 83 кгс/мм2, предел упругости при изгибе ζ0,005 = 56 кгс/мм
2,
после отжига (300 °С) – соответственно 88 и 70 кгс/мм2.
Из нейзильбера марки МНЦ 15-20 изготовляют полуфабрикаты в виде
полос, лент, проволоки. Применяют для изготовления контактных пластин в
автомеханических реле пружинящих деталей электротехнических и
телевизионных устройств, медицинских и чертежных инструментов, приборов
точной механики, паровой и водяной арматуры, технической и бытовой посуды.
Красивый белый цвет с зеленоватым или синеватым отливом привлекает
дизайнеров, использующих нейзильбер в качестве декоративного материала.
Сплавы на основе никеля. С железом, хромом, медью, марганцем,
кобальтом, молибденом, вольфрамом и другими элементами никель образует
твѐрдые растворы замещения в широком интервале концентраций, что даѐт
возможность упрочнения сплавов при сохранении высокой пластичности.
Никелевые сплавы по коррозионной стойкости превосходят
коррозионностойкие стали. Наибольшую коррозионную стойкость сплавы
приобретают после закалки на твѐрдый раствор от температуры 1 050–1 150 °С.
Сложнолегированные никелевые сплавы, содержащие алюминий, титан,
ниобий и другие элементы, упрочняющиеся в процессе распада пересыщенных
твѐрдых растворов, используются в качестве жаропрочных сплавов.
Конструкционные никелевые сплавы, кроме монель-металла НМЖМц 28-
2,5-1,5, содержащего 27–29 % Cu, 2–3 % Fe, 1,2–1,8 % Mn, относятся к
низколегированным. Их отличает повышенная прочность, коррозионная
стойкость, хорошая обрабатываемость. Применяют эти сплавы в электронной
технике, приборостроении, химическом аппаратостроении и других областях.
Например, сплав НМц-5, содержащий 4,6–5,1 % Mn, используют для
изготовления свечей двигателей внутреннего сгорания. Монель-металл (ζв = 50
кгс/мм2, δ = 35 %, НВ135–210), получаемый в виде листов, плит, лент, прутков и
проволоки, идѐт на изготовление деталей в химической, газовой, нефтяной
промышленности, судо-, машино- и аппаратостроении. Химический состав и
свойства никелевых сплавов регламентируют ГОСТ 492-73, 5632-88, 10994-80,
2170-82, 1049-93, 5187-80.
Сплавы на основе цинка. Наиболее распространены сплавы цинка с
алюминием и медью и небольшими добавками магния, свинца, олова и других
элементов. Цинковые сплавы отличаются хорошей коррозионной стойкостью,
Page 106
однако меньшей, чем чистый цинк. Обладающие хорошими механическими и
технологическими свойствами, цинковые сплавы применяют для получения
литьѐм под давлением высокоточных изделий сложной конфигурации.
Например, литейные сплавы ЦАМ 4-1о, ЦАМ 4-1 используют в автомобиле- и
вагоностроении, электротехнической и приборостроительной промышленности,
для коммунально-бытовой арматуры и т. д.
Химический состав, марки и технические условия литейных сплавов
регламентирует ОСТ 48-71-73, антифрикционных сплавов – ГОСТ 21437-95 и
ГОСТ 21438-95.
10.3. Конструкционные порошковые материалы
Различают пористые и компактные порошковые материалы.
Пористыми называют материалы, в которых после окончательной
обработки сохраняется 10–30 % остаточной пористости. Из них изготовляют
антифрикционные детали (подшипники, втулки), а также фильтры.
Подшипники изготовляют из сплавов железа и 1–7 % графита (ЖГр1, ЖГр3,
ЖГр7) и бронзографита, содержащего 8–10 % олова и 2–4 % графита (БРОГр10-
2, БРОГр8-4 и др.). Низкий коэффициент трения, лѐгкая прирабатываемость,
хорошая износостойкость при значительных нагрузках, ненадобность
принудительного смазывания за счѐт «выпотевания» масла из пор делают эти
материалы весьма перспективными. Уменьшить износ и прихватываемость
сопряжѐнных деталей, а также улучшить прирабатываемость можно, добавляя к
железографитовым материалам 0,8–1,0 % серы или 3,5–4,0 % сульфидов,
образующих сульфидные пленки на трущихся поверхностях.
Спечѐнные материалы на основе железа и меди применяют и для
фрикционных изделий в тормозных узлах, где необходимы высокий
коэффициент трения, механическая прочность и сопротивление износу.
Например, сплав ФМК-11 (15 % Cu, 9 % графита, 3 % асбеста, 3 % SiO2 и 6 %
барита) используется для работы в условиях трения без смазки (тормозные
накладки тормозов самолетов, тракторов и др.).
Сплав МК5 (4 % Fe, 7 % графита, 8 % Pb, 9 % Sn, 0–2 % Ni; медь –
остальное) нашѐл применение в качестве фрикционного материала,
работающего в условиях жидкостного трения в паре с закалѐнными стальными
деталями (например, диски сцепления).
Широко применяют порошковые материалы и для фильтрующих изделий
(втулки, пластины из порошков никеля, железа, титана, алюминия, бронзы и
других материалов с пористостью 45–50 % и размером пор 2–20 мкм). В
электротехнике и радиотехнике применяют порошковые магниты на основе Fe–
Ni–Al сплава. В приборостроении и других отраслях часто изготовляют из
порошковых материалов контакты. Наиболее употребительны псевдосплавы
тугоплавких металлов вольфрама и молибдена с медью (МВ20, МВ40, МВ60,
МВ80), серебром (СМ30, СМ60, СМ80, СВ30, СВ50, СВ85 и др.) или с оксидом
кадмия (ОК8, ОК12, ОК15) и др. Контакты отличаются высокой прочностью,
электропроводностью и электроэрозионной стойкостью. Токосъѐмники (щѐтки)
изготовляют из порошков меди или серебра с графитом.
Page 107
Завершая раздел «Металлические конструкционные материалы», обратим
внимание на следующее. Как отмечается в фундаментальном труде «Новые
материалы» [32] по данным Министерства промышленности, науки и
технологий РФ с 1996 по 2000 гг. прочность конструкционных материалов в
сопоставимых единицах увеличилась в 1,5–2 раза, модули упругости в 2–2,5
раза, температура эксплуатации низкотемпературных материалов – в 1,5 раза, а
высокотемпературных – в 1,3 раза.
Новые материалы, и в первую очередь конструкционные, широко
используются оборонным и аэрокосмическим комплексами. Они позволяют
обеспечить безопасность полетов, увеличить ресурс двигателей.
Оригинальность нового подхода заключается в том, что если раньше борьба
шла за прочность и пластичность материалов, то теперь добиваются вязкого
разрушения. Это означает, что в конструкциях допускается появление трещин,
но при одном существенном ограничении: трещина не должна приводить к
разрушению конструкции. По мнению академика РАН И.Н. Фридляндера,
российские конструкционные материалы на основе алюминиевых сплавов
являются лучшими в мире по характеристикам вязкого разрушения.
Фундаментальные исследования ведутся в области создания материалов с
нанокристаллической структурой, обеспечивающей существенное повышение
свойств.
Page 108
ГЛАВА 11. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ
Инструментальные стали – углеродистые и легированные стали, которые
используются преимущественно для изготовления штампов, режущих,
измерительных инструментов и некоторых деталей машин, работающих при
небольших или умеренных динамических нагрузках. По структуре эти стали
близки к эвтектоидным или заэвтектоидным сталям. Они обладают высокой
твѐрдостью (до 60–65 HRC) и износостойкостью. По теплостойкости
инструментальные стали подразделяют на три группы:
нетеплостойкие, сохраняющие высокую твѐрдость и износостойкость
до 200–250 °С. К ним относятся углеродистые и низколегированные стали с
содержанием до 3–4 % легирующих элементов;
полутеплостойкие, у которых высокие твѐрдость и износостойкость
сохраняются до 350–500 °С. К ним относятся сложнолегированные
высокохромистые стали, содержащие обычно от 1 до 2 % С и 6–12 % Сr, а также
сложнолегированные стали с меньшим содержанием хрома и углерода – в
основном от 0,5–0,8 до 3,8–4,4 % и 0,25–0,5 % соответственно;
теплостойкие, высокие уровни прочности, твѐрдости и
износостойкостьи которых не изменяются до 600–725 °С. К ним относятся
высоколегированные стали ледебуритного класса, содержащие хром, молибден,
вольфрам, ванадий и кобальт и получившие название быстрорежущих.
Важной характеристикой инструментальных сталей являются их
прокаливаемость и вязкость. Стали подвергают закалке и отпуску, что
повышает их прочность при изгибе до 3 500–4 000 МПа (350–400 кгс/мм2), а
твѐрдость до 60–70 HRC.
Маркируют инструментальные стали следующим образом. Углеродистые
стали обозначают буквой У (углеродистая). Следующее за буквой число,
делѐнное на 10, показывает среднее содержание углерода в процентах.
Например, марка стали У7 означает, что среднее содержание углерода
составляет 0,7 %, а марка стали У13 означает, что среднее содержание углерода
1,3 %. Буква А на конце маркировки (например, У8А) указывает, что сталь
высококачественная, содержит по сравнению с обычной меньше серы и
фосфора (до 0,02 и 0,03 % соответственно).
Легированные инструментальные стали маркируют числом, буквами и
следующими за ними цифрами. Например, 7Х3, 11ХФ. Как и в случае
углеродистых сталей, число, делѐнное на 10, означает среднее содержание
углерода в процентах. Если содержание углерода составляет около 1 %, то
число может не ставиться. Буквы означают легирующие элементы, а следующие
за ними цифры (числа) – содержание соответствующего элемента в целых
процентах.
Быстрорежущие стали являются сложнолегированными. Они обозначаются
буквой Р (от англ. rapid steel – быстрорежущая сталь), за которой в процентах
указывается среднее содержание основного легирующего элемента –
вольфрама. Например, Р18, Р12. Содержание некоторых других легирующих
может не обозначаться.
Page 109
11.1. Углеродистые и легированные стали для режущего инструмента
К группе углеродистых инструментальных сплавов относятся стали
У7(У7А), У8(У8А), У9(У9А), У10(У10А), У11(У11А), У12(У12А), У13(У13А).
Углеродистые стали применяют для изготовления:
деревообрабатывающих инструментов: топоров, пил, ножей, сверл и
других;
металлорежущих инструментов: фрез, свѐрл, метчиков, развѐрток,
зенкеров, шаберов, напильников, ножовочных полотен и др.;
инструментов, работающих в ударном и ударно-режущем режимах:
зубил, кернеров, бородков и др.;
бритвенных ножей.
Температура закалки инструментальных сталей несколько выше Ас3 или
Ас1, но ниже Асm. Ввиду их небольшой прокаливаемости закалку проводят в
воде или водных растворах щелочей, что создает опасность коробления и
возникновения трещин. Мелкий инструмент для уменьшения деформации
охлаждают в горячих средах. Для снятия внутренних напряжений и сохранения
высокой твѐрдости проводят отпуск.
Углеродистые стали в качестве режущего инструмента используются для
обработки относительно мягких материалов и с небольшой скоростью,
поскольку теплостойкость этих сталей низкая – до 200 °С.
Низколегированные нетеплостойкие углеродистые стали марок Х, 11Х,
9ХС, 9ХФ, 11ХФ, 13ХФ, ХВГ, ХВСГ и другие по сравнению с углеродистыми
обладают повышенной прокаливаемостью, обусловленной значительной
устойчивостью переохлаждѐнного аустенита, и закаливаемостью. Это позволяет
выполнять охлаждение при закалке в масле и горячих средах и, следовательно,
значительно уменьшить деформацию инструмента. Низколегированные
углеродистые стали используются для изготовления тех же видов инструмента,
что и углеродистые, но большего сечения и длины. Инструмент сохраняет
высокую твѐрдость при нагреве до 200–250 °С.
Быстрорежущие стали широко используются для изготовления
разнообразного режущего инструмента, работающего при высоких скоростях
резания в тяжѐлых условиях. Различают стали умеренной, повышенной и
высокой теплостойкости, сохраняющие твѐрдость 60 HRC после нагрева до
температур 600–625, 630–650 и 700–725 °С соответственно. Умеренной
теплостойкостью обладают стали Р12, Р18, Р8М3, Р6МК, повышенной – стали
Р12Ф3, Р8М3К6С, Р9М4К8Ф, Р12Ф4К5, Р6М5К5. Стали с умеренной и
повышенной теплостойкостью относятся к сталям с карбидным упрочнением.
Представителем стали высокой теплостойкости является быстрорежущая сталь
марки В11М7К23 (ЭП 831), в обозначении которой символ «P» отсутствует.
Кроме вольфрама, молибдена и кобальта, сталь содержит до 0,5 % Cr, 0,4–0,8 %
V и 0,1–0,2 % Nb и 0,05–0,15 % С, т. е. сталь практически безуглеродистая. Эта
сталь, как и стали ВЗМ12К23 и В14М7К25, относится к сталям с
интерметаллидным упрочнением.
Page 110
Термическая обработка быстрорежущих сталей умеренной и повышенной
теплостойкости состоит в отжиге, закалке и последующем отпуске. Отжиг
проводят после ковки при 860–880 °С с целью снижения твѐрдости, улучшения
обработки резанием и подготовки структуры стали к закалке. После отжига
структура представляет собою легированный феррит с включением сложных
избыточных карбидов.
В зависимости от марки стали, закалку осуществляют с температур 1 200–
1 280 °С, т. е. очень высоких температур, что необходимо для более полного
растворения карбидов и получения высоколегированного аустенита. Это
обеспечивает после закалки получение легированного мартенсита,
обладающего высокой теплостойкостью. При высокой температуре закалки
избыточные карбиды препятствуют росту зерна и структура быстрорежущей
стали сохраняется мелкозернистой.
Поскольку высоколегированный аустенит характеризуется большой
устойчивостью, охлаждающей средой служит чаще всего масло. С целью
уменьшения деформации инструментов проводят ступенчатую закалку в
расплавленных солях. Структура закалѐнной быстрорежущей стали
представляет высоколегированный мартенсит, содержащий 0,3–0,5 % С,
нерастворѐнные карбиды и остаточный аустенит, который понижает режущие
свойства инструмента.
После закалки при температуре 550–600 °С проводят отпуск (обычно
трѐхкратный). Отпуск вызывает превращение остаточного аустенита в
мартенсит и дисперсионное твердение в результате частичного распада
мартенсита и выделения дисперсных карбидов. Благодаря этому твѐрдость
увеличивается (так называемая вторичная твѐрдость).
Термообработка быстрорежущих сталей высокой теплостойкости с
интерметаллидным упрочнением несколько отличается от термообработки
сталей с карбидным упрочнением. Структура в отожжѐнном состоянии –
феррит и интерметаллиды (Fe, Со)7(W, Мо)6, твѐрдость – 32–36 НRС. Подобно
карбидам быстрорежущих сталей частицы интерметаллидов при высоком
нагреве под закалку препятствуют росту зѐрен.
В процессе закалки часть интерметаллидов переходит в твѐрдый раствор.
Структура в закалѐнном состоянии представляет легированный феррит,
содержащий избыточные интерметаллиды. Твѐрдость после закалки невысокая
– 40–45 НRС. Однако упрочняющий эффект в результате выделения
интерметаллидов при дисперсионном твердении значительно больше, чем у
сталей с карбидным упрочнением. Твѐрдость после отпуска увеличивается до
68–69 HRС. Интервалы температур закалки и отпуска у сталей с
интерметаллидным упрочнением более широкие, чем у сталей с карбидным
упрочнением. После закалки стали не сохраняют остаточного аустенита, что
позволяет проводить однократный отпуск вместо трѐхкратного для
быстрорежущих сталей с карбидным упрочнением.
Методами порошковой металлургии созданы высококачественные
быстрорежущие стали Р6М5ФЗ-МП, Р6М5К5-МП, Р9М4К8-МП и другие,
Page 111
карбидостали марок Р6М5К5 + 20 % ТiС, РЗМЗФЗ + 20 % ТiС с твѐрдостью
после термической обработки 67–71 HRC.
Применение быстрорежущих сталей позволяет в 10–30 раз повысить
стойкость инструментов и в 2–4 раза повысить скорость резания по сравнению
со сталями, не обладающими теплостойкостью.
11.2. Стали для измерительного инструмента
Высокоуглеродистые хромистые стали X, ХВГ, 12X1 и другие после
закалки и низкого отпуска обладают не только высокими износостойкостью и
твѐрдостью, достигающей 62–64 HRС, но и таким замечательным свойством,
как сохранение размеров в течение длительного времени. Поэтому такие стали
используют для изготовления измерительного инструмента: калибров,
шаблонов, плиток, измерительных скоб, шкал, линеек и других плоских и
длинных инструментов.
В закалѐнной высокоуглеродистой стали при комнатной температуре, хотя
и медленно, самопроизвольно протекает процесс старения, заключающийся в
частичном распаде мартенсита и превращении остаточного аустенита в
мартенсит. Процесс старения приводит к небольшому изменению объѐма и
размеров изделия, что недопустимо для измерительного инструмента высокого
класса точности. Поэтому измерительные инструменты для предупреждения
старения после закалки и отпуска продолжительностью до 60 ч при 120–140 °С
иногда подвергают обработке холодом при температуре минус 50–80 °С. Для
более полного превращения остаточного аустенита обработку холодом нередко
повторяют многократно.
11.3. Штамповые стали
Штамповые стали делят на стали для инструментов холодного и горячего
деформирования. Стали для инструмента холодного деформирования должны
обладать высокими прочностью и износостойкостью. Твѐрдость в зависимости
от условий эксплуатации выбирают в широких пределах – от 54 до 64 HRС.
Выбор вязкости и прокаливаемости также определяется условиями работы и,
кроме того, размерами и формой штампов. В процессе деформирования
штампы разогреваются до 200–350 °С. Поэтому стали должны быть и
теплостойкими.
Для холодного деформирования наиболее широко применяются
полутеплостойкие стали высокой твѐрдости и износостойкости Х12Ф1, Х12М,
Х6ВФ, Т6Ф4М, Х12Ф4М, полутеплостойкие стали высокой твѐрдости с
повышенным сопротивлением пластическому деформированию 6Х6ВЗМФС,
высокопрочная сталь с повышенной ударной вязкостью 7ХГ2ВМ, стали У10,
У11, У12 и др. Стали используются для изготовления матриц и пуансонов
формовочных, вырубных и просечных штампов; штампов, работающих в
условиях сильного износа и высоких давлений, и других инструментов. Каждая
сталь имеет свою область рационального применения. Штампы подвергают
термической обработке – закалке и отпуску.
Page 112
Штампы, деформирующие металл в горячем состоянии, эксплуатируются в
более тяжѐлых условиях, подвергаясь периодическому нагреву и охлаждению
рабочей поверхности, истирающему действию горячего металла и воздействию
сложных напряжений. Поэтому стали для таких штампов должны иметь
высокие механические свойства при повышенных температурах, обладать
окалиностойкостью, выдерживать многократные нагревы и охлаждения без
образования трещин (сетки разгара).
Наиболее часто применяемые штамповые стали для горячего
деформирования следующие: стали 5ХНМ, 5ХНВ (для молотовых штампов),
сталь 4Х5МФ1С (для штампов горячей высадки и прессования,
продолжительно соприкасающихся с нагретым металлом), сталь 4Х2В5МФ
(для тяжелонагруженного прессового инструмента при деформировании
легированных конструкционных сталей и жаропрочных сплавов), стали
ЗХ2В8Ф, 4ХЗВМФ, 4Х5В2ФС и др. Изделия подвергают закалке и отпуску.
Page 113
ГЛАВА 12. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
12.1. Электротехнические стали
Представителями электротехнических материалов являются
электротехнические стали и сплавы с высоким электросопротивлением.
К электротехническим сталям относится класс ферромагнитных
материалов, которые применяются для изготовления магнитно-активных частей
приборов и электромашин, вырабатывающих и преобразующих электрическую
энергию: генераторов, трансформаторов, электродвигателей, реле,
электромагнитов.
В зависимости от содержания кремния (или кремния совместно с
алюминием) – главного легирующего элемента – электротехнические стали
подразделяются согласно изданному в 2003 г. «Марочнику сталей и сплавов» на
шесть групп:
группа 0 – нелегированные стали, содержание не более 0,5 % Si + Al;
группа 1 – низколегированные стали, содержащие 0,5–0,8 % Si + Al;
группа 2 – слаболегированные стали, содержащие 0,8–2,1 % Si + Al;
группа 3 – среднелегированные стали, содержащие 1,8–2,8 % Si + Al;
группа 4 – повышеннолегированные стали, содержащие 2,5–3,8 %
Si + Al;
группа 5 – высоколегированные стали, содержащие 3,8–4,8 % Si + Al.
Как видно, переход от одной группы к другой плавный,
характеризующийся некоторой общей границей. При переходе от
нелегированных сталей к высоколегированным плотность уменьшается от 7 820
до 7 550 кг/м3, а удельное электросопротивление возрастает от 140 до 600
нОм·м.
Образуя с α-железом твѐрдый раствор, кремний увеличивает электрическое
сопротивление и уменьшает тем самым потери на вихревые токи, повышает
магнитную проницаемость, несколько снижает коэрцетивную силу и потери на
гистерезис. В сильных магнитных полях кремний понижает индукцию и
повышает хрупкость.
Стали изготовляют горячей или холодной прокаткой, с
электроизоляционным покрытием либо незащищѐнной металлической
поверхностью. Обозначают марку стали четырьмя-пятью цифрами. Например:
3311, 2421, 3421, 10895. Первая цифра характеризует структуру и вид прокатки:
1 – горячекатаная изотропная, 2 – холоднокатаная изотропная, 3 –
холоднокатаная анизотропная. Вторая цифра означает одну из шести групп
стали, указанных выше. Третья цифра характеризует тип стали по основным
нормируемым характеристикам магнитных свойств (определяет потери на
гистерезис и тепловые потери). Для всех сталей, исключая релейные, четвертая
(последняя) цифра означает уровень основных нормируемых характеристик: 1 –
нормальный, 2 – повышенный, 3 – высокий, 4 и более – высшие уровни. Для
релейных сталей четвѐртая и пятая цифры задают величину их характеристики
(значение коэрцетивной силы в А/м). Например, для марки 10895 значение
коэрцетивной силы составляет не более 95 А/м.
Page 114
После цифрового обозначения марки стали возможно добавление одной-
двух букв. Буквой Т обозначается термостойкость, буквой Ш – улучшение
штампуемости, буквой Н – нетермостойкое покрытие, буквой У – проведение
контроля внутренних дефектов.
Электротехнические стали выпускают в виде рулонов, листов и резаных
лент.
12.2. Сплавы с высоким электросопротивлением
Хромоалюминиевые низкоуглеродистые сплавы ферритного класса Х13Ю4
(фехраль), ОХ23Ю5 (хромель), ОХ27Ю5А, обладающие высоким
электросопротивлением, нашли применение для электронагревательных
приборов. Сплавы изготовляют в виде проволоки и ленты. Максимальная
рабочая температура этих сплавов составляет 900, 1 100 и 1 200 °C
соответственно, а удельное электросопротивление для проволоки диаметром 1
мм 1,24–1,34; 1,2–1,4; 1,37–1,47 мкОм·м. Содержание углерода в сплавах
ограничивают 0,06 %–0,12 %, поскольку образование карбидов приводит к
снижению пластичности и сокращению срока службы нагревателей.
Широкое распространение в качестве нагревателей получили нихромы –
сплавы никеля с хромом, обладающие высоким омическим сопротивлением.
Наиболее известным является сплав Х20Н80 с рабочей температурой до
1 050 °C.
В электротехнической промышленности находят применение также
некоторые аморфные сплавы.
Page 115
ГЛАВА 13. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
13.1. Резины
Резины – продукты вулканизации натурального или синтетического
каучука, обладающие способностью к большим обратимым деформациям. Чаще
всего каучуки вулканизируют, нагревая их в смеси с серой при 140–160 °С
(серная вулканизация). В состав смеси вводят также другие вещества,
обеспечивающие оптимальные технологические параметры процесса и
необходимые эксплуатационные свойства резин. К этим веществам относятся:
ускорители процесса вулканизации; пластификаторы, облегчающие переработку
резиновой смеси и повышающие морозостойкость резины; добавки,
замедляющие процесс старения резины; наполнители, повышающие прочность,
сопротивление истиранию и другие механические свойства резины; неактивные
наполнители для удешевления резины, красители для еѐ окраски.
В процессе вулканизации пластичный «сырой» каучук превращается в
резину, характерными свойствами которой являются:
высокая эластичность; относительное удлинение достигает 1 000 %,
причѐм деформации почти полностью обратимы;
малый модуль упругости – 1–10 МПа (0,1–1 кгс/мм2);
практическая несжимаемость;
релаксационный характер деформации; время релаксации при
комнатной температуре может составлять 10-4
с;
низкая теплопроводность, что приводит при эксплуатации
толстостенных изделий в условиях многократных механических напряжений к
их сильному перегреву (за счѐт энергии, теряемой на внутреннее трение между
молекулами);
небольшая плотность, химическая стойкость, газо- и
водонепроницаемость, высокая стойкость к истиранию, электроизолирующие
свойства.
Резины подразделяют на резины общего назначения и специальные. К
группе резин общего назначения относят резины, получаемые на основе
неполярных каучуков (натурального и синтетических бутадиенового,
бутадиенстирольного и изопренового). Диапазон рабочих температур резин
общего назначения от минус 50 до плюс 150 °С.
Специальные резины подразделяют на несколько видов: теплостойкие
(температура эксплуатации свыше +150 °С); морозостойкие (температура
эксплуатации ниже минус 50 °С); стойкие в агрессивных средах, например,
маслобензостойкие, светоозоностойкие; электропроводящие, диэлектрические;
износостойкие, фрикционные и др.
Резиновые материалы применяются в производстве покрышек и камер
колес различной техники (свыше половины выпускаемого объѐма резины),
конвейерных лент, трубопроводов, уплотнителей, амортизаторов, обуви и т. п.
Номенклатура резиновых изделий насчитывает десятки тысяч наименований.
Page 116
13.2. Пластические массы
Пластические массы (пластмассы, пластики) – это материалы, содержащие
полимеры, которые при формовании изделий находятся в вязкотекучем или
высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном или
частично кристаллическом.
Пластические материалы делят на две группы: реактопласты и
термопласты. К первым относят те материалы, формирование изделий из
которых сопровождается химическими реакциями образования новых
ковалентных связей между молекулами – отверждением. В результате этого
пластмасса необратимо теряет способность переходить в вязкотекучее
состояние. Ко второй группе относят те материалы, при формовании изделий из
которых новые ковалентные связи не образуются. Отверждения не происходит,
и материал в изделии сохраняет способность при вторичной переработке вновь
переходить в вязкотекучее состояние.
Пластические массы, помимо полимера, обычно содержат различные
наполнители – неорганические или органические вещества в виде порошка,
волокон, зѐрен, жидких или газообразных вкраплений. Эти вещества понижают
температуру текучести и вязкость полимера, замедляют его старение, придают
окраску, повышают теплостойкость, теплопроводность, химическую стойкость,
диэлектрические свойства, стойкость к ударным нагрузкам, улучшают другие
свойства пластмасс и делают более разнообразными их физико-механические
характеристики.
К основным видам наиболее широко применяемых термопластов
относятся: полиэтилен, поливинилхлорид и полистирол. Эти пластмассы, а
также пластмассы на их основе обладают комплексом полезных свойств.
Например, пластмассы на основе полиэтилена легко формуются и свариваются,
устойчивы к ударным и вибрационным нагрузкам, отличаются высокими
электроизоляционными свойствами (диэлектрическая проницаемость 2,1–2,3) и
низкой плотностью, химически стойки. Повышенной прочностью и
теплостойкостью характеризуются изделия из полиэтилена, наполненного
стекловолокном.
Среди реактопластов наиболее разнообразное применение нашли
фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы. Как уже отмечалось,
переработка реактопластов в изделия сопровождается отверждением
(полимерная фаза приобретает сетчатую трѐхмерную структуру). Поэтому
отвержденные реактопласты имеют, по сравнению с термопластами, более
высокие значения твѐрдости, модуля упругости, усталостной прочности,
теплостойкости, меньший коэффициент термического расширения.
Пластические массы нашли широкое применение в различных областях
экономики:
строительстве (покрытие полов, производство стеновых панелей,
перегородок, элементов кровельных покрытий, оконных переплѐтов,
герметизация, гидро- и теплоизоляция зданий; производство труб и санитарно-
технического оборудования, домиков для туристов, летних павильонов и т. п.);
Page 117
машиностроении (производство зубчатых и червячных колѐс,
подшипников, роликов, шкивов, направляющих станков, труб, болтов, гаек,
технологической оснастки и т. д.);
лѐгкой промышленности и производстве товаров народного
потребления;
авиастроении (изготовление с использованием пластмасс корпусов
ракет, силовых агрегатов самолетов (оперение, крылья, фюзеляж), реактивных
двигателей, колес, стоек шасси, несущих винтов вертолѐтов, элементов
остекления и других изделий);
автомобилестроении;
электротехнике и электронике;
сельском хозяйстве, особенно при производстве плѐночных материалов;
медицинской промышленности (изготовление инструментов,
спецпосуды, протезов конечностей, стоматологических протезов, клапанов
сердца, хрусталиков глаза и др.).
Производство пластмасс постоянно возрастает.
Page 118
ЧАСТЬ II. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА МАТЕРИАЛОВ
ГЛАВА 14. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛОВ
В природе все металлы (кроме золота, серебра и платиновых) находятся в
различных, главным образом оксидных соединениях (рудах). Поэтому основная
задача при получении металлов состоит в восстановлении их из оксидов.
Восстановлением называется процесс превращения оксидов в элементы или
перевод высших оксидов в низшие путѐм отнятия от них кислорода при
помощи восстановителей: C, CO, H2 и других веществ, обладающих большим
сродством к кислороду, чем восстанавливаемые элементы.
С точки зрения электронной теории, окисление состоит в потере
электронов окисляющимся веществом. Наоборот, при восстановлении оно
получает обратно отданные ранее электроны. Следовательно, сущность
восстановления состоит в присоединении электронов восстанавливающимся
веществом. Таким образом, окислительно-восстановительные реакции
определяют процессы, связанные с переходом электронов от одних атомов к
другим. Типичный процесс восстановления оксидов можно представить
следующей реакцией:
MeO + B = Me + BO,
где МеО – оксид любого металла;
В – восстановитель;
ВО – оксидная форма восстановителя.
При этом исходный оксид является окислителем по отношению к
восстановителю и приобретает электроны, в то время как восстановитель их
отдает.
Возможно также восстановление путем электролиза водных и солевых
растворов. В этом случае надо рассматривать условия присоединения
электронов к катиону металла.
Условием прямого протекания реакции восстановления (слева направо)
является отрицательное значение изобарного потенциала:
ΔZ < 0,
т. е. самопроизвольный процесс восстановления возможен при условии
убыли свободной энергии системы. Чем более отрицательное значение ΔZ, тем
более устойчив образующийся оксид и тем труднее он восстанавливается.
Не менее важным показателем сродства восстанавливаемого металла к
кислороду является упругость диссоциации оксида металла PO 2(МеO) и оксида
восстановителя PO 2(BO). Оксид, имеющий меньшую упругость диссоциации,
более прочен, а образующее его вещество обладает большим сродством к
кислороду и поэтому способно отнять кислород от оксида восстанавливаемого
металла. Таким образом, восстановителем может быть любой элемент,
упругость диссоциации оксида которого меньше упругости диссоциации
восстанавливаемого оксида.
Если металлы расположить в ряд по возрастанию упругости диссоциации их
оксидов, то можно утверждать, что в этом ряду каждый предыдущий металл
Page 119
может служить восстановителем для оксида последующего металла. Об этом же
можно судить по графику изменения термодинамического потенциала ΔZ (рис. 35)
различных оксидов в зависимости от температуры. Чем более отрицателен
изобарный потенциал, тем интенсивнее образуется оксид.
Рис. 35. Стандартные изобарные потенциалы образования оксидов из
элементов
Очевидно, что медь и никель будут восстанавливаться из их оксидов легче,
чем железо. Поэтому в условиях доменной печи или вагранки Cu и Ni
Page 120
полностью переходят в жидкий чугун. Оксиды железа в этих условиях также
почти полностью восстанавливаются. Хром же из оксида Cr2O3
восстанавливается труднее железа, так как ΔZCr 2 O 3 имеет более отрицательное
значение, чем ΔZFeO. Еще хуже восстанавливается марганец из MnO, не говоря
уже о кремнии и титане, которые как в доменном процессе, так и при плавке в
вагранке, почти не восстанавливаясь, переходят в шлак. Что касается алюминия,
магния, кальция, то их оксиды, не восстанавливаясь, переходят в шлак,
разжижая его.
Располагая оксиды по возрастающей величине сродства металла к
кислороду, получим ряд:
Cu2O; NiO; MoO3; FeO; P2O5; ZnO; MnO; SiO2; Al2O3; MgO; CaO,
из которого видно, что железо может быть восстановителем для меди, а для
железа восстановителями могут быть цинк, марганец, фосфор, магний,
кремний, алюминий, кальций. Чем дальше в этом ряду стоят друг от друга
оксиды, тем энергичнее будет реакция восстановления.
Недостатком углеродотермического восстановления, чаще всего
применяющегося на практике, являются эндотермичность процесса (реакции
протекают с большим поглощением тепла). При использовании в качестве
восстановителя металла, имеющего более высокое химическое сродство к
кислороду, чем металл восстанавливаемого оксида, процесс идѐт с выделением
тепла и возможно получение как чистых металлов, так и сплавов или
соединений (металлидов).
Впервые металлотермический процесс был осуществлен Н.Н. Бекетовым в
1865 г. Процессы алюминотермии могут быть применены не только для
получения железа, но и марганца, титана, а также сплавов: ферротитана,
феррованадия и др.
Рассмотрим общие основы теории металлотермических процессов.
Реакция металлотермического восстановления металлов:
МеХ + Ме' ↔ Ме'Х + Ме,
где Ме – металл;
Ме' – металл-восстановитель;
Х – может быть кислород, хлор, фтор, протекает слева направо при
условии:
ΔZ = ΔZМе'Х – ΔZМеХ < 0,
где ΔZМе'Х и ΔZМеХ – изобарные потенциалы реакций образования МеХ и
Ме'Х из элементов. Приближѐнные значения ΔZ можно найти на диаграмме рис.
35.
Как указывалось выше, для полноты протекания реакции восстановления
слева направо величина ΔZ реакции должна быть достаточно большой, т. е.
сродство Ме' к элементу Х (ΔZМе'Х) должно быть значительно больше сродства
Ме к элементу Х.
Если стандартная величина сродства Ме к Х (ΔZМеХ) больше, чем у Ме' к
величине Х (ΔZМе'Х), то реакция между МеХ и Ме' всѐ же может произойти при
условии, что растворяются Ме в Ме' или Ме' в МеХ, либо когда Ме или Ме'Х –
Page 121
парообразные вещества. Однако реакция пройдет не полностью. Чем меньше
абсолютное значение ΔZ, тем глубже пройдѐт реакция восстановления.
Хотя изобарный потенциал ряда реакций обусловливает их протекание и
при относительно низких температурах, тем не менее вследствие рассеивания
тепла скорость этих реакций чрезвычайно мала. Для обеспечения заметного
повышения температуры всей реагирующей системы за счѐт выделяющегося
тепла применяют так называемые «подогревающие добавки» или
инициирующие смеси. Так, например, авторы успешно использовали
инициирующую смесь (КClO3 + 3Mg) в процессах магниетермического
восстановления В2О3 по реакции:
В2О3 + 3Mg = 2B + 3MgO.
С увеличением содержания инициирующей смеси термичность шихты
увеличивается. Оптимальным было соотношение по массе:
2010Mg3KClO
Mg3ОВ
3
32.
Термичность, или величина удельного теплового эффекта
металлотермического процесса, рассчитывается путем деления общего
теплового эффекта реакций на сумму молекулярных масс реагирующих
веществ:
,
где Т – термичность шихты, ккал(кДж)/кг;
Qp – тепловой эффект металлотермической реакции, ккал (кДж);
ΣM – сумма молекулярных весов реагирующих веществ, кг.
Все металлотермические реакции в зависимости от тепловых эффектов
могут быть подразделены на четыре группы: вяло-термичные, идущие, как
правило, без образования раздельных границ металла и шлака; спокойно-
термичные; бурно-термичные, протекающие быстро и при высокой
температуре; взрывного типа, сопровождающиеся зачастую выбросом шихты.
Авторами была предложена следующая классификация магниетермических
процессов (рис. 36).
Page 122
Рис. 36. Классификация магниетермических процессов
Скорость металлотермических реакций при одном и том же удельном
тепловом эффекте сильно зависит от степени измельчения компонентов шихты,
формы частиц, давления, среды и других факторов.
На рис. 37 и 38 приведены схемы реактора и бомбы, которые использовали
авторы данной работы при исследовании металлотермических процессов.
Бомба объѐмом около 150 см3 представляла собой стальной стакан с крышкой.
Внутри стакана устанавливался корундовый тигель с шихтой. Пространство
между тиглем и корпусом бомбы засыпалось оксидом магния. Внутренняя часть
крышки защищалась экраном из листового молибдена (на рисунке не показан).
Реакция возбуждалась нитью накала из вольфрама. Реактор второго типа
представлял герметичный стальной цилиндр с крышкой, на которой крепились
электрододержатели и кран. Внутри цилиндра устанавливался тигель с шихтой.
Реактор был снабжен смотровыми окнами и мановакууметром. Инициирование
реакции производилось с помощью электродуги, возникающей между
графитовыми электродами.
Рис. 37. Металлотермическая бомба Рис. 38. Металлотермический реактор
Page 123
ГЛАВА 15. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
15.1. Металлургия чугуна
Металлургия – область науки и техники, отрасль промышленности,
включающая процессы получения металлов и сплавов из руд и их дальнейшую
обработку.
Металлургия делится на чѐрную и цветную. Возникновение металлургии
относится к глубокой древности. Обнаружены следы выплавки меди в 7–6
тысячелетии до н э. В 3-м тысячелетии до н. э. научились выплавлять бронзу.
Примерно в середине 2-го тысячелетия до н. э. человек начинает овладевать
искусством получения железа из руд. Сначала – костры, затем – плавильные
ямы, сыродутные горны.
Как указывалось выше, чугуном называют сплавы железа с углеродом,
содержащие более 2,14 % С, т. е. сплавы, в структуре которых присутствует
эвтектика – ледебурит. Современная печь для выплавки чугуна представлена на
рис. 39. Исходным материалом для доменного производства служат руда,
флюсы, топливо и воздух. Пригодность
железной руды для доменной плавки
зависит от содержания железа, состава
пустой породы и концентрации вредных
примесей (сера, фосфор и др.).
Используют, главным образом,
магнитный железняк или магнетит,
содержащий 45–70 % Fe в виде Fe3O4;
красный железняк или гематит,
содержащий 50–60 % Fe в виде Fe2O3;
бурый железняк Fe2O3·3H2O, содержащий
около 30 % Fe и шпатовый железняк
(сидерит), содержащий 30–40 % Fe в виде
карбоната FeCО3. Перед плавкой руды
проходят операции дробления,
сортировки, обогащения, обжига и
спекания.
Доменные флюсы – это материалы,
вводимые в доменную печь для снижения
температуры плавления пустой породы и
ошлакования золы топлива. В качестве
флюсов применяют известняк CaCО3 или
(реже) доломит CaCО3·MgCO3. Топливом
служит кокс, являющийся продуктом
сухой перегонки без доступа воздуха
некоторых сортов каменных углей
(коксующиеся угли).
Рис. 39. Профиль и разрез современной
доменной печи: 1 – чугунная лѐтка; 2 – горн; 3 – заплечики;
4 – распар; 5 – шахта; 6 – колошник; 7 –
засыпной аппарат; 8 – горизонт
образования шлака; 9 – горизонт
образования чугуна; 10 – зона горения
кокса; 11 – слой шлака; 12 – шлаковая
лѐтка; 13 – жидкий чугун
Page 124
Доменная печь является вертикальной печью шахтного типа высотой до 80
м и объѐмом рабочего пространства до 5 600 м3. Как все шахтные печи, домна
работает по принципу противотока. Сверху сходят шихтовые материалы, а
снизу движутся газы, образующиеся в процессе горения топлива. В шахте
происходят процессы восстановления оксидов железа и начинается его
науглероживание. В нижней части скапливаются жидкие чугун и шлак,
периодически выпускаемые через специальные отверстия – лѐтки.
Доменная печь оснащена несколькими воздухонагревателями (кауперами).
Обычно 3-4 каупера. Подогрев дутья существенно интенсифицирует доменный
процесс. Все основные процессы механизированы и автоматизированы.
Максимальная температура в домне, достигающая 1 900–2 100 oС на
уровне фурм, через которые вдувают подогретый воздух, снижается до 1 450 oС
в горне. На уровне фурм происходит сгорание кокса с выделением тепла Q 1:
C + O2 = CO2 + Q1.
Образующийся углекислый газ реагирует с твѐрдым углеродом кокса и
восстанавливается до оксида углерода с поглощением тепла:
CO2 + C = 2CO − Q2.
Оксид углерода восстанавливает спускающиеся оксиды железа в руде,
превращаясь в углекислый газ:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q3;
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 – Q4;
FeO + CO = Fe + CO2 + Q5.
После завершения процесса восстановления при температуре 1 300–
1 400 oС железо находится в твѐрдом состоянии в виде пористой массы.
Взаимодействуя с оксидом углерода или непосредственно с углеродом, железо
образует карбид железа Fe3C (цементит):
3Fe + 2CO = Fe3С + CO2;
3Fe + C = Fe3C.
Цементит хорошо растворяется в железе и постепенно науглероживает его
до чугуна, снижая температуру плавления и обеспечивая стекание чугуна в
горн. Одновременно с восстановлением и науглероживанием железа происходит
восстановление оксидов кремния, марганца, фосфора и других элементов и
растворение их в металле. Чугун выпускают из печи через чугунные лѐтки 4–6
раз в сутки в специальные ковши, направляемые на разливочную машину, либо
сливают в обогреваемые копильники-миксеры для последующего
использования при переделе в сталь.
15.2. Металлургия стали
Как указывалось выше, сталь – это сплав железа с углеродом, содержащий
углерода менее 2,14 %. Постоянными примесями в стали являются кремний,
марганец, фосфор и сера.
Исходными металлическими материалами для получения стали служат
передельный чугун, стальной лом и ферросплавы. Основная задача передела
чугуна в сталь состоит в удалении избытка углерода и примесей с помощью
окислительных процессов. Основными способами производства стали
Page 125
являются: кислородно-конвертерный, мартеновский, электродуговой и
индукционный.
В основе конвертерных процессов лежит обработка жидкого чугуна
газообразными окислителями (например, воздухом, кислородом) без подвода
извне дополнительного тепла. Продувка чугуна производится в специальных
агрегатах – конвертерах, которые бывают ѐмкостью 100–400 т. Исходными
материалами конвертерной плавки являются жидкий чугун, металлический лом,
шлакообразующие и окислители. При продувке кислород, проникая в металл,
прежде всего, взаимодействует с железом, составляющим основную массу
чугуна:
2Fe + O2 = 2FeO + Q.
Образующийся оксид FeO частично переходит в шлак, частично
растворяется в металле и окисляет примеси, содержащиеся в чугуне:
2FeО + Si = 2Fe + SiO2 + Q1;
FeO + Mn = Fe + MnO + Q2;
5FeO + 2P = 5Fe + P2O5 + Q3.
Эти реакции, идущие с большим выделением тепла (особенно окисление
кремния), приводят к тому, что уже через 2–4 минуты после начала продувки
кремний полностью окисляется. С повышением температуры металла и
снижением содержания кремния и марганца возрастает скорость окисления
углерода, как за счѐт взаимодействия с FeO по реакции:
FeО + C = Fe + CO − Q4,
так и за счѐт прямого воздействия газообразного кислорода:
C + O2 = CO2 + Q5.
После окончания продувки и получения заданного содержания углерода
берут пробу и выпускают металл в ковш. Обязательной завершающей
операцией является раскисление в ковше. Раскислением называется процесс
восстановления железа из FeО. Раскисление производят марганцем, кремнием и
алюминием по реакциям:
FeO + Mn = Fe + MnO;
2FeO + Si = 2Fe + SiO2;
3FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3.
В противном случае высокая концентрация FeО в стали привела бы к
красноломкости при горячей деформации. В связи с тем, что качество
кислородно-конвертерной стали не уступает мартеновской, а себестоимость на
20–30 % ниже, в последние годы происходит постепенное вытеснение
мартеновского процесса кислородно-конвертерным.
Мартеновское производство сталей осуществляется в пламенных печах, в
рабочем пространстве которых сжигается газообразное или жидкое топливо –
мазут. Высокая температура обеспечивается за счѐт регенерации тепла
отходящих газов. Различают основные и кислые мартеновские печи (в
зависимости от вида футеровки).
Футеровка (от нем. Futter – подкладка) – огнеупорная кладка внутренней
части печи. В зависимости от состава огнеупорных материалов различают
основную футеровку, в составе которой преобладают основные оксиды – СаО,
Page 126
MgO, например, магнезит, и кислую, состоящую из SiO2, например, динас.
Кислую футеровку выполняют при использовании чистых по сере и фосфору
шихтовых материалов. Использование основной футеровки позволяет удалять
из расплава серу и фосфор. Отсюда и название мартеновских процессов –
основной и кислый.
В качестве газообразного топлива обычно используют смесь доменного и
коксового газов. Со второй половины 20 в. широко применяют природный газ.
Воздух для сжигания топлива дополнительно обогащают кислородом. Процесс
плавки состоит из нескольких периодов: заправка печи, закладка шихтовых
материалов, плавление, кипение, раскисление и выпуск сплава. При плавлении
полностью окисляется кремний и частично углерод, марганец и фосфор. Из
оксидов SiO2, MnO, FeO, CaO образуется жидкий шлак, покрывающий металл,
через который и происходит дальнейшее окисление примесей металла. В
частности, фосфор удаляется в результате протекания следующих
экзотермических реакций:
2P + 5FeO = P2O5 + 5Fe + Q1;
P2O5 + 3FeO = P2O5·3FeO + Q2;
P2O5·3FeO + 3CaO = P2O5·3CaO + 3FeO + Q3.
В период кипения тепловой режим печи форсируют, вводят небольшими
порциями железную руду для окисления углерода:
C + FeO = Fe + CO − Q.
Эффективное удаление серы в шлак происходит в конце периода кипения:
FeS + CaO = CaS + FeO.
После удаления вредных примесей и получения заданной концентрации
углерода производят раскисление стали в два этапа: предварительное –
ферромарганцем и ферросилицием в печи – и алюминием – в ковше во время
выпуска плавки.
Электроплавка – наиболее совершенный способ получения стали. Для
выплавки применяют дуговые и индукционные электрические печи. Ёмкость
дуговых печей колеблется в пределах 0,5–360 т; индукционных – от нескольких
килограммов до 90 т. Печи средней и большой ѐмкости используют на
металлургических заводах для получения слитков, а печи малые – на
машиностроительных заводах для получения отливок.
Источником тепла являются либо электрическая дуга, возбуждаемая между
графитовыми электродами и металлической шихтой, либо индуктор,
возбуждающий мощные вихревые токи, обеспечивающие нагрев и
расплавление металла.
Плавка может вестись как основным, так и кислым процессами. Химизм
процессов аналогичен вышеизложенным. Индукционные печи позволяют вести
плавку в любой контролируемой атмосфере и в вакууме, обеспечивая получение
стали с минимальным содержанием газов и неметаллических включений.
Прямое получение железа. Прямым получением железа называют
процессы получения металлизированного полупродукта (окатышей или
губчатого железа) непосредственно из железорудных материалов.
Page 127
Восстановителями могут служить монооксид углерода, водород, низкосортные
виды топлива или их смеси:
Получаемые окатыши содержат 95 % железа и около 1 % углерода и в
дальнейшем применяются для получения стали. Метод экономически
эффективен и перспективен, так как позволяет исключить из технологической
цепи получения стали доменный процесс. Описанный способ был осуществлѐн
в СССР на Оскольском электрометаллургическом комбинате, а также на
Белорецком металлургическом комбинате в Башкирии.
Из других способов прямого восстановления железа можно отметить
продувку восстановительным газом в кипящем слое и в тиглях с
использованием плазмы.
15.3. Металлургия цветных металлов
15.3.1. Производство меди
Содержание меди в земной коре составляет 4,7·10-3
%. Около 30 % всех
мировых запасов сосредоточены в сульфидных рудах: медном колчедане
CuS·FeS, халькозине Cu2S, ковеллите CuS и др. Содержание меди в рудах, как
правило, не превышает 5 %. Медь самородная встречается редко.
Извлечение меди производят двумя способами: гидрометаллургическим и
пирометаллургическим, причѐм второй нашѐл более широкое распространение.
Он включает операции обогащения руд с получением концентрата, его обжиг,
плавку на медный штейн, получение черновой меди и еѐ рафинирование.
После обогащения концентрат подвергают обжигу при температуре 800–
900 oС для частичного удаления (до 50 %) серы. При этом образуются оксиды
меди и железа. Руду, прошедшую обжиг, называют огарком. Плавка на штейн
проводится в отражательных пламенных печах и электропечах. Штейн – это
сплав, состоящий в основном из сульфидов Cu2S и FeS и небольшого
количества примесей.
В рабочем пространстве температура достигает 1 600 oС. На поду печи
скапливаются жидкие продукты плавки – шлак и штейн. Штейн, по мере
накопления, выпускают в ковш при температуре 900–1 150 oС, и он поступает в
конвертер для переработки в черновую медь. Этот процесс, длящийся в общей
сложности до 30 ч, делится на два периода. Первый период заключается в
окислении сульфидов железа кислородом дутья:
2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 + Q1.
Образующийся оксид железа FeO взаимодействует с кремнезѐмом флюса и
переходит в шлак:
2FeO + SiO2 = SiO2·2FeO + Q2.
В результате получается белый штейн, состоящий в основном из сульфида
меди, и силикатный шлак, который скачивают.
Во втором периоде продолжается окисление сульфида меди при продувке
штейна воздухом:
2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2.
Page 128
Образующийся оксид меди взаимодействует с сульфидом с образованием
черновой меди:
2Cu2O + Cu2S = 6Cu + SO2.
Черновая медь содержит в качестве примесей до 0,1 % Fe, 0,5 % S, 1,0 % O2
и другие элементы. Полученную черновую медь разливают в слитки и
отправляют на рафинирование, проводимое огневым или электролитическим
способами. Огневое позволяет получать медь чистоты 99,5 %. Для получения
большей чистоты (до 99,98 %), а также для извлечения из меди благородных
металлов осуществляют электролитическое рафинирование.
15.3.2. Производство алюминия
По распространѐнности в природе алюминий занимает первое место среди
металлов. Его содержание в земной коре составляет 8,8 %. В свободном
состоянии в природе не встречается из-за большой химической активности.
Главная масса алюминия сосредоточена в бокситах, нефелинах, алунитах,
каолинах и других рудах. Наиболее ценная алюминиевая руда – бокситы,
содержащие около 50 % оксида алюминия Al2O3.
Производство алюминия заключается в получении оксида алюминия из
алюминиевых руд щелочным, кислотным, электротермическим или
комбинированными способами, получении первичного металла электролизом
оксида алюминия (в специальных аппаратах – электролизѐрах), растворѐнного в
расплавленном криолите Na2[NaAlF6] при температуре около 950 oС, и
рафинировании этого металла. Максимальное содержание оксида алюминия в
электролите составляет 6–8 %.
Черновой алюминий содержит примеси, от которых его очищают
продуванием расплава хлором при температуре 750–770 oС в течение 10–15
мин, после чего разливают в изложницы. Чистота первичного алюминия
составляет 99,7–99,5 %. Перспективен хлоридный способ получения алюминия,
позволяющий уменьшить затраты энергии и снизить загрязнение окружающей
среды.
В зависимости от способов получения и химического состава различают:
алюминий особой чистоты (марки А999), содержащий не более 0,001 %
примесей и получаемый зонной плавкой и дистилляцией электролитически
рафинированного металла; алюминий высокой чистоты (марок А995, А99, А97,
А95), содержащий от 0,005 до 0,05 % примесей и получаемый из первичного
металла технической чистоты дополнительным рафинированием; алюминий
технической чистоты (марок А85, А8, А7, А6, А5, А0, А и АЕ), содержащий от
0,15 до 1,00 % примесей.
15.3.3. Производство магния
Содержание магния в земной коре около 2,4 %. В природе он находится в
виде соединений – силикатов, хлоридов, карбонатов и сульфатов. Для
производства магния используют главным образом магнезит, доломит и
карналлит. Большие запасы магния в виде хлористых солей содержатся в
морской и солѐной воде озѐр. Металлический магний получают
Page 129
электролитическим (около 70 % общего производства) и термическим (около
30 %) способами.
Электролитический способ заключается в получении хлорида магния из
исходного сырья и его электролизе. Хлористый магний получают обжигом
магнезита или доломита или хлорированием образовавшегося оксида магния
при 800–900 oС в присутствии восстановителя (углерода):
MgCO3 = MgО + CO2;
MgCO3·CaCO3 = MgO + CaO + 2CO2;
MgO + Cl2 + C = MgCl2 + CO.
Электролиз расплавленного MgCl2 проводят в электролизѐрах в расплаве
солей MgCl2, NaCl, KCl, CaCl2.
Термические способы (силикотермический и карботермический)
заключаются в восстановлении магния из обожжѐнного магнезита MgCO3 или
доломита CaMg[CO3]2 кремнием или углеродом. При нагревании происходит
разложение магнезита:
MgCO3 → MgO + CO2.
При карботермическом способе восстановителями служат углерод или
оксид углерода. По реакции:
MgO + C ↔ Mg + CO
процесс протекает при нагревании до 2 000 оС, и магний получается
газообразным. Восстановитель может быть в виде древесного угля, кокса или
антрацита. Возможен и более сложный механизм восстановления:
MgO + CO ↔ Mg + CO2;
CO2 + C → 2CO.
Силикотермический способ основан на реакции:
2MgO + Si ↔ 2Mg + SiO2.
Реакция протекает в сторону образования магния при температуре не ниже
2 300 оС. С понижением давления реакция протекает при более низких
температурах. Например, при давлении 1 мм рт. ст. образование магния
происходит уже при 1 500 oС. В присутствии оксида кальция и давлении 1 мм
рт. ст. температуру реакции удаѐтся снизить до 1 150–1 200 оС.
Полученный магний подвергают рафинированию переплавкой в тигельных
печах с флюсами или возгонкой. Рафинированный металл, содержащий не
менее 99,9 % магния, разливают по изложницам в чушки.
15.3.4. Производство титана
Содержание титана в земной коре составляет 0,63 % (4-е место после
алюминия Al, железа Fe и магния Mg). Он входит в состав свыше 100
минералов, из которых важнейшими являются рутил TiO2, ильменит FeTiO3,
титаномагнетит FeTiO3·Fe3O4, перовскит CaTiO3 и титанит CaO·TiO2·SiO2.
Промышленное производство было освоено только после Второй мировой
войны.
Исходным продуктом для производства металлического титана служат
главным образом не содержащие кислорода вещества, получаемые из
титановых руд. Основное вещество – четырѐххлористый титан TiCl4. При
Page 130
проектировании всех титановых заводов в СССР был принят
магниетермический способ производства титана из TiCl4.
Более низкое, по сравнению с кальцием, натрием и магнием сродство
титана к хлору при температурах, представляющих практический интерес для
осуществления процесса восстановления, доступность TiCl4, достаточно
высокая его чистота и относительно низкая его стоимость, а также возможность
получения из него титана высокого качества делают TiCl4 в настоящее время
основным сырьѐм для металлотермического получения титана.
В процессе производства очищенный TiCl4 восстанавливают чистым
магнием в среде аргона по суммарной реакции:
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2.
Затем образовавшуюся титановую губку (пористая масса) подвергают
вакуумнотермической обработке, чтобы удалить избыточный магний и MgCl2.
Содержание основных примесей в магниетермическом титане составляет в
процентах:
0,01–0,03 С; 0,05–0,015 O; 0,01–0,05 N; 0,03–0,2 Fe; 0,04–0,12 Mg.
Более глубокой очистки достигают зонной плавкой.
Page 131
ГЛАВА 16. ОСНОВЫ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ. НАПЫЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
16.1. Основы порошковой металлургии
Порошковая металлургия – это подотрасль металлургии, включающая
производство порошков металлов и изделий из них, их смесей и композиций с
неметаллами. Порошки получают механическим измельчением или
распылением жидких исходных металлов, высокотемпературным
восстановлением и термической диссоциацией летучих соединений,
электролизом и другими методами.
Изделия получают прессованием порошков с последующей термической
обработкой – спеканием или термомеханической обработкой, т. е. совмещением
двух процессов – прессования и спекания. В последнем случае основным
процессом производства изделий, особенно из тугоплавких соединений,
является метод горячего прессования, который осуществляют в графитовых
формах при высоких температурах и давлении 1 500–4 000 MПа (150–400
кгс/см2). Подлинным прогрессом в области горячего прессования тугоплавких
соединений явилась разработка изостатического горячего прессования в
газовых средах при высоких температурах. Этот метод не требует прессформ и
осуществляется при давлениях и температурах, по крайней мере, 20 ГПа (2 000
кгс/см2) и 1 600
oС соответственно. В результате спекания получаются
поликристаллические материалы более или менее пористые, а при особых
условиях – даже беспористые. Процесс спекания протекает без расплавления
основного компонента.
Методы порошковой металлургии позволяют изготавливать изделия из
материалов, получение которых другими способами невозможно. Например, из
несплавляющихся металлов, композиций металлов с неметаллами, боридов,
карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений. С помощью порошковой
металлургии получают тугоплавкие и твѐрдые сплавы, пористые, фрикционные
и другие материалы и изделия из них.
Порошковая металлургия позволяет повысить коэффициент использования
металла и повысить производительность труда. Благодаря сокращению или
полному исключению механической обработки достигается значительная
экономическая эффективность. Однако, вследствие высокой стоимости
прессформ, изготовление деталей машин методами порошковой металлургии
эффективно только в массовом производстве. Применение порошковых
материалов рекомендуется при изготовлении деталей простой формы, малых
массы и размеров.
16.2. Напыление материалов
Порошкообразные материалы широко применяют в качестве исходного
сырья для нанесения покрытий. Напыление покрытий газотермическими и
вакуумными конденсационными методами позволяет изготавливать изделия с
широким диапазоном свойств поверхности. Использование напылѐнных
покрытий многоцелевого назначения позволяет резко сократить расход
Page 132
металлов за счѐт повышения надѐжности и долговечности в эксплуатации
деталей машин, оборудования и сооружений. Важным является использование
газотермических порошковых покрытий для восстановления изношенных
деталей.
Обобщѐнная схема газотермического и вакуумного конденсационного
напыления представлена на рис. 40, где L – дистанция напыления; φc – конус
распыления; Рс – давление окружающей среды; dн – диаметр пятна напыления;
ln – величина перекрытия.
В качестве источника нагрева и
распыления материала широко
используют плазменную струю.
Обладая высокой скоростью истечения
и температурой, она обеспечивает
возможность напыления практически
любых материалов. Плазменную
струю получают различными
способами. В одних случаях
используют дуговой нагрев газа, в
других – высокочастотный
индукционный. Известны и другие
способы получения плазменных струй,
например, лазерным нагревом.
Основными достоинствами
плазменного напыления являются:
высокая производительность процесса
(2–8 кг/час для плазмотронов
мощностью 20–60 кВт и до 50–80
кг/час для плазмотронов мощностью
150–200 кВт); широкий диапазон
видов распыляемых материалов,
возможность регулирования в
широких пределах качества
напылѐнных покрытий. К недостаткам метода следует отнести: невысокие
значения коэффициента использования энергии, наличие пористости и других
видов несплошностей, невысокая прочность покрытия.
Технологию напыления различными методами принято рассматривать по
группам материалов, обладающих сходными физико-химическими свойствами.
К таким группам относят: чистые металлы, металлические сплавы, соединения
металлидного (интерметал-лидного) типа; металлоидные соединения и оксиды,
а также бескислородные тугоплавкие соединения.
Рис. 40. Обобщѐнная схема процесса
газотермического и вакуумного
конденсационного напыления
покрытий:
1 – генератор напыляемых частиц; 2 – поток
напыляемых частиц; 3 – напылѐнное
покрытие; 4 – напыляемое изделие
Page 133
ЧАСТЬ III. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК
ГЛАВА 17. ПРОИЗВОДСТВО ЗАГОТОВОК СПОСОБОМ ЛИТЬЯ
Процесс литья заключается в заливке расплавленного металла (сплава) в
литейную форму, внутренняя полость которой должна соответствовать
конфигурации и размерам будущей детали.
Достоинствами литейной технологии являются универсальность, дающая
возможность получать отливки сложной конфигурации из широкой
номенклатуры сплавов массой от нескольких граммов до сотен тонн, а также
экономичность процесса.
Недостатками можно считать пониженные прочность и пластичность по
сравнению с деталями, полученными методами обработки давлением. Кроме
того, значительны затраты на охрану окружающей среды и технику
безопасности.
Статистические данные свидетельствуют, что масса литых деталей в
машиностроении составляет примерно 50 % от массы машин и механизмов, а в
станкостроении около 80 %.
17.1. Технологические основы литейного производства
Литейной формой служит конструкция, состоящая из частей, образующих
рабочую полость, при заполнении которой расплавом получается отливка.
Литейные формы подразделяются: по числу заливок на разовые и
многократные, по материалу – на песчаные, песчано-цементные, гипсовые,
металлические, из высокоогнеупорных материалов и др.
Металлические формы из чугуна и стали являются многократными, так как
выдерживают тысячи заливок. Песчаные, оболочковые формы и формы,
изготовляемые по выплавляемым моделям, являются разовыми.
Для изготовления разовой литейной формы необходима модель,
обеспечивающая образование отпечатка в литейной форме, соответствующего
наружной конфигурации и размерам отливки. Размеры модели должны быть
увеличены по сравнению с размерами отливки на величину усадки и припусков
на механическую обработку.
По сравнению с деталью, модель имеет выступающие части (стержневые
знаки), с помощью которых стержень, оформляющий внутреннюю полость,
крепится к форме. Процесс изготовления литейной формы называется
формовкой. Литейная форма должна быть прочной, газопроницаемой,
податливой и огнеупорной.
17.1.1. Технологические особенности литья в песчаные формы
17.1.2. Изготовление песчаных форм
Формовка бывает ручной и машинной. Ручная применяется в единичном и
мелкосерийном производстве, как правило, в двух опоках по разъѐмной модели.
Технологический процесс состоит из нескольких операций: изготовление
нижней полуформы, изготовление верхней полуформы, подготовка полуформ к
сборке и сборка формы (рис. 41).
Page 134
В качестве плавильных печей, используемых в литейных цехах
машиностроительных заводов, чаще всего можно встретить вагранку (для
плавки чугуна), дуговую трѐхфазную электропечь ДСТ (для плавки стали),
барабанную качающуюся электродуговую печь ДМК (для плавки медных
сплавов) и тигельные электропечи и даже тигельные горны для плавки
алюминиевых, магниевых и других сплавов.
Рис. 41. Изготовление литейной формы в двух опоках по разъѐмной
модели:
1 – подмодельный щиток; 2 – нижняя часть модели; 3 – сито; 4 – модель
питателя; 5 – нижняя опока; 6 – трамбовка; 7 – линейка; 8 – игла; 9 – штырь; 10
– верхняя опока; 11 – верхняя часть модели; 12 – модели выпоров; 13 – модель
стояка; 14 – верхняя часть модели питателя; 15 – подъѐмник; 16 – стержень
17.1.3. Заливка форм, охлаждение, выбивка и очистка отливок
Заливку сплава в форму производят из ковшей непрерывной струѐй до
наполнения литниковой чаши. Продолжительность охлаждения отливок
колеблется от нескольких минут до нескольких суток в зависимости от их
массы, состава сплава и свойств формовочной смеси. Затем форму разрушают и
Page 135
извлекают из неѐ отливку. Операция обрубки производится с помощью
дисковых и ленточных пил, пневматических зубил, а также электродуговой или
газовой резкой. Очистка отливок производится следующими способами:
во вращающихся барабанах за счѐт трения друг о друга деталей и
чугунных «звѐздочек», загружаемых вместе с отливками;
в гидропескоструйных установках струѐй воды с песком;
в дробемѐтных барабанах и камерах струѐй чугунной или стальной
дроби.
Технологическая схема производства отливок приведена на рис. 42.
Характерными видами дефектов для литья в песчаные формы являются:
газовые и усадочные раковины, трещины, перекосы, разностенность,
коробление, неслитины и др.
Page 136
Рис. 42. Технологическая схема производства отливок
Литьѐм в песчаные формы можно получать отливки из чугуна, стали,
алюминиевых, цинковых и медных сплавов.
17.1.4. Специальные способы литья
17.1.5. Литьѐ в оболочковые формы
Способ получения отливок свободной заливкой расплава в оболочковые
формы из термореактивных смесей называется оболочковым литьѐм.
Page 137
По сравнению с литьѐм в песчаные формы литьѐ в оболочковые формы даѐт
большую чистоту поверхности и позволяет снизить припуск на механическую
обработку в 1,5 раза.
Оболочковые формы изготовляют из песчано-смоляных смесей. В качестве
связующего вещества используют пульвербакелит (фенолформальдегидная
смола с добавками уротропина).
При 100–120 оС смола плавится, покрывая поверхность зѐрен песка тонкой
клейкой плѐнкой. Нагрев до 200–250 оС вызывает еѐ необратимое
затвердевание, что повышает прочность формы. Оболочковые формы получают
с помощью нагретых металлических моделей. Каждая форма состоит из двух
соединѐнных оболочковых полуформ. Технология изготовления оболочек
включает следующие операции:
нагрев модельных плит до 200–
250оС;
нанесение на рабочую
поверхность плиты разделительного
состава (силиконовая жидкость),
который предотвращает прилипание к
плите формовочной смеси;
нанесение песчано-смоляной
смеси на модельную плиту;
формирование и отверждение
оболочки необходимой толщины;
съѐм оболочковой полуформы с
модельной плиты с помощью
толкателей.
Схема изготовления оболочковой
формы представлена на рис. 43.
Перед заливкой формы с
вертикальной плоскостью разъѐма (а также формы крупных размеров)
устанавливают в контейнеры и засыпают чугунной дробью во избежание
коробления.
Литьѐм в оболочковые формы можно получить отливки из любых
литейных сплавов массой от 0,2 до 200 кг. Оболочковое литьѐ даѐт возможность
получать тонкостенные отливки сложной формы с гладкой и чистой
поверхностью. Однако сравнительно небольшие размеры (до 1 500 мм) отливок,
а также выделение вредных газов, вызывающих серьѐзные заболевания,
ограничивают применение этого способа.
17.1.6. Литьѐ по выплавляемым моделям
Литьѐ по выплавляемым моделям – это процесс получения отливок в
неразъѐмных разовых огнеупорных формах, изготавливаемых с помощью
моделей из легкоплавящихся, выжигаемых или растворяемых составов.
Отливки, получаемые этим способом, почти не отличаются по размерам от
готовой детали, могут иметь весьма сложную форму. Масса отливок может
Рис. 43. Схема изготовления
оболочковой формы с помощью
поворотного бункера
Page 138
быть от нескольких граммов до десятков тонн (например, Медный всадник в
Санкт-Петербурге или царь-колокол в Москве).
Сущность процесса изготовления отливок по выплавляемым моделям
заключается в следующем. В соответствии с чертежом детали изготовляют
пресс-форму (рис. 44). В неѐ шприцем запрессовывают в сметанообразном
состоянии модельный состав (например, смесь парафина со стеарином). После
охлаждения и затвердевания модельного состава в пресс-форме из неѐ
извлекают парафино-стеариновую модель будущей отливки. Несколько таких
моделей припаивают к парафино-стеариновому стояку и покрывают
суспензией. Затем обсыпают песком и сушат. Эти операции повторяются 3–8
раз. Модели отливок со стояком помещают в горячую воду, где модельный
состав выплавляется из сформировавшейся вокруг них многослойной оболочки.
Далее оболочки сушат и прокаливают при температуре 900–1 000 оС.
Рис. 44. Литьѐ по выплавляемым моделям:
а) изготовление моделей; б) монтаж модельных блоков; в), г)
формирование на модельных блоках керамической оболочки; д) выплавливание
моделей из керамических форм; е) формовка оболочки; ж) заливка;
1 – пресс-форма; 2 – модель; 3 – модельно-литниковый блок; 4 – суспензия;
5 – псевдоожиженный слой зернистого огнеупорного материала; 6 – подача
сжатого воздуха; 7 – расплав модельной массы (или горячая вода); 8 –
керамическая оболочковая форма; 9 – опорный наполнитель (кварцевый песок);
10 – печь; 11 – ковш
Прокалѐнные оболочки в горячем состоянии заформовывают в опоки и
заливают сплавом. Остывшие отливки в виде «ѐлок» извлекают из опок,
а) б)
в)
г)
д) е) ж)
Page 139
очищают от песка, отделяют от стояка, после чего выщелачивают остатки
керамики, контролируют и отправляют на склад. Литьѐм по выплавляемым
моделям можно получать отливки из любых сплавов, в том числе
труднообрабатываемых, зачастую готовые для сборки с допусками на размер 0,05
мм и шероховатостью поверхностей 3–6 классов. Например, щѐткодержатели
электрических двигателей, лопатки реактивных авиационных двигателей.
17.1.7. Кокильное литьѐ
Кокиль – это металлическая форма, многократно используемая для
получения отливок путѐм заливки в неѐ расплава свободной струѐй.
Поскольку изготовление металлических форм является процессом
трудоѐмким и дорогим, кокильное литьѐ экономически целесообразно лишь в
серийном и массовом производствах. Кокили могут быть разъѐмные и
вытряхные, с вертикальными и горизонтальными разъѐмами (рис. 45).
Рис. 45. Разновидности кокилей:
а) вытряхной; б) с горизонтальной плоскостью разъѐма; в) с вертикальной
плоскостью разъѐма; г) створчатый; д) створчатый с горизонтальной
плоскостью разъѐма
Для охлаждения формы предусматривается циркуляция воды по
специальным каналам наружных стенок. Литьѐ в кокиль широко применяют для
получения заготовок из алюминиевых, магниевых, медных и других сплавов.
Отливки из чугуна и стали должны быть толстостенными и простыми, исходя
из недопустимости появления отбела при литье чугуна и плохой
жидкотекучести стали. Масса отливок колеблется от десятков граммов до
нескольких тонн. Стойкость кокилей зависит от материала отливок и достигает
сотен тысяч для легкоплавких сплавов, нескольких тысяч для чугунных и
нескольких сот для стальных.
Технологический процесс кокильного литья включает следующие
операции:
а)
б) в)
г
)
д)
Page 140
очистку рабочей поверхности кокиля от остатков отработанного
покрытия, загрязнения и ржавчины;
нанесение на предварительно подогретые до 100–150 оС рабочие
поверхности кокиля специальных теплоизоляционных слоѐв и
противопригарных красок;
нагрев кокиля до оптимальной температуры (100–400 оС), зависящей от
материала, массы и конфигурации отливки;
сборку формы;
заливку формы сплавом;
охлаждение;
разборку кокиля и извлечение отливки.
Металлический стержень извлекается из отливки до еѐ удаления из кокиля.
Воздух и газы из рабочих полостей кокиля удаляются через естественные
зазоры между элементами формы, а также через специально выполненные
каналы глубиной 0,5 мм.
Сами кокили изготовляют, как правило, литьѐм в песчаные формы. Иногда
применяют методы порошковой металлургии и методы электрошлакового
литья.
17.1.8. Литьѐ с применением внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл
Литьѐ под давлением. Литьѐ под давлением представляет собой процесс
получения отливки путѐм введения в металлическую форму расплава под
большим избыточным давлением (до 300 МПа), где он затвердевает и
охлаждается. Затем происходит раскрытие прессформы и удаление отливки с
помощью толкателей. Технологический процесс характеризуется коротким
циклом и малым числом операций.
Машины для литья под давлением подразделяются по конструкционным и
функциональным особенностям узла прессования на три типа:
с холодной (неподогреваемой) вертикальной камерой прессования;
с холодной горизонтальной камерой;
с горячей вертикальной камерой прессования (рис. 46, 47).
Page 141
В машинах с горячей камерой прессования предусмотрены автоматические
операции дозировки и заливки, что значительно повышает их
производительность до 3 500 запрессовок в час. Они используются, как
правило, для литья мелких отливок из легкоплавких сплавов, например,
цинковых, свинцово-сурьмянистых и др.
Машины с холодной камерой прессования применяют для получения
отливок из сплавов на основе алюминия, магния, меди, цинка, редко – стали и
чугуна, так как последние материалы обладают неудовлетворительным
сочетанием литейных технологических свойств и, значительно взаимодействуя с
материалом формы, резко сокращают еѐ стойкость. Характерными
преимуществами литья под давлением, по сравнению с литьѐм в песчаные
формы, являются: высокая производительность и точность размеров, хорошее
качество поверхности отливок, возможность автоматизации процессов литья и
значительное снижение трудоѐмкости. К недостаткам можно отнести:
пониженную плотность и пластичность материала отливок, связанные с газовой
пористостью, и невозможность, в связи с этим же, проведения последующей
термообработки. Кроме того, современное оборудование не позволяет получать
отливки массой более 50 кг.
Литьѐ под низким давлением. При литье под низким давлением (до 0,1
МПа) металл (алюминий, магний, медь, редко чугун или сталь) поступает в
форму из тигля через металлопровод, погружѐнный в расплав, под давлением
воздуха или газа на зеркало ванны расплава (рис. 48).
Рис. 47. Схема горячей
поршневой камеры прессования: 1 – прессующий поршень; 2 –
цилиндр прессующего поршня;
3 – расплавленный металл;
4 – отверстие прессового цилиндра
Рис. 46. Схема холодной вертикальной (а) и
горизонтальной (б) поршневых камер
прессования машин литья под давлением:
а) 1 – камера прессования; 2 – прессующий
поршень; 3 – прессформа; 4 – нижний поршень
камеры; 5 – литниковое отверстие;
б) 1 – неподвижная полуформа; 2 – специальное
окно для заливки сплава; 3 – поршень
а) б)
Page 142
После затвердевания отливки установка
разгерметизируется, а излишек расплава
сливается из металлопровода в тигель.
Размещение тигля с расплавом в
теплоизолированной камере обеспечивает
снижение энергозатрат.
Конструкция установки не позволяет шлаку
попадать в металлопровод, а плавное
регулирование заполнения формы жидким
металлом даѐт возможность вытеснения газов и
получения плотной отливки. Повышению
плотности способствует принудительное
подпитывание в период кристаллизации
расплавом под избыточным давлением.
Преимуществами литья под низким
давлением являются: возможность
автоматизации заливки, пониженный расход
металла (в 3 и более раз по сравнению с литьѐм в
кокиль), возможность обеспечения оптимального
процесса заполнения металлом формы,
позволяющую существенно увеличить плотность отливок и их механические
свойства (на 20–30 % по сравнению с литьѐм в кокиль), а также возможность
получения тонкостенного литья с толщиной стенки 1,5–2,0 мм.
К числу недостатков можно отнести ограниченное применение при литье
чугуна и стали, связанное с малой стойкостью металлопровода, хотя его и
изготовляют из жаростойких материалов, например,
титанового сплава ВТ14.
Литьѐ вакуумным всасыванием. При литье
вакуумным всасыванием полость формы
заполняется металлом за счѐт создания в ней
вакуума (10–80 кПа). В настоящее время
применяются две схемы этого процесса:
с расположением литейной формы в
герметичной камере, соединѐнной с
металлопроводом, погружѐнным в тигель с
расплавом;
с герметизацией полости формы,
сообщающейся через металлопровод с расплавом.
На рис. 49 показан второй вариант, с помощью
которого получают втулки, вкладыши, подшипники
скольжения из латуни, бронз, чугуна и стали.
Преимущества способа: высокая плотность отливок,
отсутствие усадочной и газовой пористости, а также
литниковой системы, хорошее качество
поверхности, повышенные (на 20–50 %)
Рис. 48. Установка для литья
под низким давлением: 1 – форма; 2 – газопровод;
3 – металлопровод; 4 – тигель
Рис. 49. Установка для литья
вакуумным всасыванием:
1 – кристаллизатор;
2 – раздаточная печь
Page 143
механические свойства (по сравнению с кокильным литьѐм), а также
достаточно высокая производительность.
Однако при использовании форм-кристаллизаторов можно получать лишь
отливки простой формы, а в случае отливки втулок предусматривать
значительный припуск на механическую обработку внутренней поверхности.
Литьѐ с кристаллизацией под давлением. Сущность способа литья с
кристаллизацией под давлением состоит в заливке металла в пресс-форму и
последующего его уплотнения пуансоном гидравлического пресса в процессе
затвердевания расплава (рис. 50).
Выжимание расплава
производится со скоростью 0,1–0,5
м/с. Заливку осуществляют при
температуре, превышающей
ликвидус на 20–100 оС. С помощью
пуансона окончательно оформляются
контуры отливки и производится еѐ
уплотнение до полного
затвердевания.
За счѐт пластической
деформации происходит залечивание
межкристаллических и газовых пор.
Получается плотная
мелкокристаллическая структура
с высокими механическими
свойствами, приближающимися к
свойствам поковок. Можно получать
простые и довольно сложные
отливки из сплавов на основе
алюминия, магния, меди, цинка и
(реже) стали и чугуна. Можно
использовать для литья даже деформируемые сплавы, хотя есть опасность
образования усадочной пористости и горячих трещин.
Освоено производство слитков диаметром от 30 до 600 мм и отливок с
толщинами стенок от 2 до 100 мм и массой от нескольких граммов до 300 кг. В
связи с тяжѐлыми условиями работы матрицы, пуансоны, стержни и толкатели
изготовляют из теплостойких инструментальных сталей 5ХНМ, 3Х2В8Ф,
4Х5МФС, 4Х5В2ФС.
Для защиты поверхности прессформ применяют краски и
теплоизоляционные покрытия. Преимуществами метода являются: получение
плотных (беспористых) отливок с мелкозернистой структурой и высокими
механическими свойствами из литейных и деформируемых сплавов, небольшие
припуски на обработку резанием, высокая производительность и выход годного
(до 95 %). Недостаток – высокая трудоѐмкость изготовления литейной оснастки
Центробежное литьѐ. Технология центробежного литья заключается в
том, что расплав заливают во вращающуюся форму, где он затвердевает под
Рис. 50. Схемы прессования при литье с кристаллизацией под давлением:
а) поршневое прессование; б) пуансонное прессование; в) пуансонно-поршневое прессование; г) прессование через литники-питатели; 1 – исходное положение пуансона; 2 – конечное положение пуансона
а) б)
в) г)
Page 144
действием центробежных сил. Этим способом получают отливки из чугуна,
стали, сплавов на основе меди, цинка, алюминия, магния, титана, а также из
биметаллических композиций: сталь – бронза, чугун – бронза и др.
Литейные центробежные машины, как правило, бывают двух основных
типов: с горизонтальной и вертикальной осями вращения (рис. 51). На машинах
с горизонтальной осью вращения получают отливки, у которых длина (высота)
значительно больше диаметра (различные трубы, гильзы и пр.). На машинах с
вертикальной осью вращения отливают колѐса, шестерни, фасонное литьѐ. Для
получения фасонных изделий применяют, наряду с металлическими,
керамические, графитовые и песчаные формы.
а) б)
Рис. 51. Схемы изготовления отливок при вращении формы вокруг
вертикальной (а) и горизонтальной (б) осей:
1 – ковш с расплавленным металлом; 2 – литейная форма (изложница); 3 –
отливка; 4 – подвижный жѐлоб
Важной характеристикой, обеспечивающей качество, является частота
вращения формы. Для изложницы с горизонтальной осью вращения можно
рекомендовать число оборотов в минуту:
n = 60·0,705(К/Д)0,5
,
а при литье в формы с вертикальной осью вращения:
n = 17 460/(g/R)0,5
, мин-1
,
где g – плотность сплава, кг/м3;
R и Д – соответственно радиус и диаметр тел вращения;
К – гравитационный коэффициент (К = 3–300).
Преимуществами способа являются: высокий уровень
производительности, высокий выход годного (90–95 %), высокая плотность и
мелкозернистое строение отливок, возможность получения тонкостенных
отливок. К главным недостаткам относятся: химическая неоднородность в
толстостенных отливках, повышенная вероятность образования трещин, а
также деформаций форм под давлением жидкого металла, разностенность по
высоте (в машинах с вертикальной осью вращения).
Метод широко применяется для литья водонапорных и канализационных
труб, гильз двигателей внутреннего сгорания, поршневых колец, корпусов
Page 145
полых валов из коррозионностойких сталей диаметром до 1 500 мм, длиной до
10 м, массой до 60 т и других изделий.
Литьѐ выжиманием. Литьѐ выжиманием предназначено для получения
тонкостенных крупногабаритных отливок посредством свободной заливки
расплава в раскрытую форму с последующим заполнением металлом всей еѐ
рабочей полости за счѐт сближения полуформ, которое реализуется либо
поворотом подвижной полуформы вокруг оси, либо плоскопараллельным
сближением одной или обеих полуформ. Избыток сплава выжимается в
приѐмный ковш (рис. 52). Для повышения стойкости форм их перед заливкой
покрывают защитными красками и нагревают до 250 оС.
а) б)
Рис. 52. Разновидности процесса литья выжиманием:
а) – выжимание расплава поворотом подвижной полуформы; б) –
выжимание расплава плоскопараллельным перемещением подвижной
полуформы;
1 – заливка сплава; 2 – сближение полуформ с выжиманием излишка
металла
Литьѐм выжиманием изготавливают в основном отливки из алюминиевых
и магниевых сплавов. Заливку в форму производят при температурах,
превышающих ликвидус на 80–100 оС, а процесс выжимания начинают при
температуре на 20–40 оС выше ликвидуса. Оптимальная скорость подъѐма
уровня сплава в форме составляет 0,3–0,7 м/с.
Затвердевание отливки начинается уже в процессе движения расплава в
форме и заканчивается соединением корочек металла, намороженных на
стенках сближающихся полуформ. В зоне контакта соединяемых поверхностей
возникает дефектная область отливки (раковины, рыхлоты).
Преимуществами способа являются возможности получения
крупногабаритных тонкостенных отливок (размерами 1,0 × 2,5 м и толщиной
стенок 1,5–5,0 мм), отсутствие литниковой системы. К недостаткам относятся:
пониженная точность размеров отливок (по сравнению с литьѐм в
металлические формы) и низкий выход годного литья (25–50 %).
Способы литья с непрерывным процессом формирования отливки:
непрерывное и полунепрерывное литьѐ, электрошлаковое литьѐ, получение
отливок методом направленной кристаллизации
Непрерывное и полунепрерывное литьѐ. Процесс получения протяжѐнных
отливок посредством свободной непрерывной заливки расплава в
водоохлаждаемую форму – кристаллизатор и вытягивания из неѐ
Page 146
сформированной части отливки называют непрерывным литьѐм. Если
накладываются ограничения на подачу металла, то способ называют
полунепрерывным литьѐм.
Различают горизонтальное и вертикальное литьѐ. Материал рабочей
полости выполняют либо из меди, алюминия, стали, либо (что
предпочтительней) из графитовых вставок.
Внутренняя полость кристаллизатора охлаждается водой. Завершение
затвердевания происходит либо в кристаллизаторе, либо – вне его.
На рис. 53 представлена схема установки для горизонтального литья.
Расплав в кристаллизатор 2 поступает из раздаточной печи 1. Затвердевающая
часть отливки 3 вытягивается из формы 2 с помощью роликов 4. Отливку
периодически разрезают на части пилой 5. Указанным методом литья
изготовляют трубы диаметром до 1 000 мм, втулки для гильз двигателей,
заготовки для прокатных валков и другие изделия.
Рис. 53. Схема установки непрерывного горизонтального литья:
1 – раздаточная печь; 2 – литейная форма (кристаллизатор); 3 –
затвердевшая часть отливки; 4 – ролики для вытяжки отливки; 5 – пила
Преимущества способа заключаются в неограниченности длины отливки,
однородности свойств по длине, повышенной плотности металла, отсутствии
литниковой системы, большом выходе годного, повышенных точности и
чистоте поверхности, отсутствии операций выбивки форм, обрубки и очистки
отливок, относительно невысокой стоимости литейных форм и повышенной
производительности труда. Недостатки: ограниченность номенклатуры и
невозможность получения отливок сложной конфигурации.
Электрошлаковое литьѐ. Суть процесса заключается в постепенном
электрошлаковом переплаве расходуемого электрода 1 (рис. 54) в
водоохлаждаемой металлической форме 5 и последующей кристаллизации в
ней расплавленного металла.
При прохождении электрического тока через расплав шлака 2 в нѐм
выделяется большое количество теплоты, в результате чего шлак нагревается на
150–300 ○С выше температуры плавления материала расходуемого электрода. В
результате оплавления конца электрода капли металла проникают в шлак,
очищаются в нѐм и скапливаются под шлаком, образуя металлическую ванну 3.
Слой расплава, расположенный вблизи кристаллизатора, затвердевает быстрее.
Расход электрода компенсируется перемещением его вниз.
Page 147
Поверхность отливок получается
чистой, гладкой, зачастую не
нуждающейся в дальнейшей
механической обработке. Отливки имеют
повышенные химическую и структурную
однородность, а также плотность.
Уменьшается количество вредных
примесей. Всѐ это обеспечивает отливкам
высокие механические свойства.
Отсутствие элементов литниковой
системы позволяет повысить
коэффициент использования металла.
Электрошлаковым литьѐм получают
как мелкие отливки массой в десятки
граммов, так и крупные – массой до 300
т. Например, валки для холодной прокатки, сосуды сверхвысокого давления,
коленчатые валы и другие изделия.
Получение отливок методом направленной кристаллизации. Весьма
эффективным методом повышения эксплуатационных свойств сплавов,
работающих в условиях высоких температур и напряжений, является
применение процессов направленной
кристаллизации, что позволяет получать изделия со
столбчатой, монокристаллической и
композиционной структурами.
Создание максимального градиента
температуры в заданном направлении роста зѐрен и
минимального в других направлениях является
важнейшим фактором обеспечения направленной
кристаллизации. Тепло должно отводиться с одной
стороны отливки с помощью холодильника.
Остальная часть формы нагревается до
температуры, превышающей температуру
кристаллизации сплава.
На рис. 55 представлен вариант установки для
ускоренной направленной кристаллизации.
Прокалѐнная керамическая форма 1, закрепляемая
на штоке 2, размещается внутри нагревательной
печи 3. Форму заполняют расплавом из
индукционной печи (на рисунке не показана) через
воронку. Зона охлаждения, расположенная под
зоной нагревания, состоит из тигля 4, заполненного
жидкометаллическим теплоносителем 5.
Расплавление теплоносителя осуществляется
нагревателем 6.
После заполнения керамической формы
Рис. 54. Схема получения отливок
способом электрошлакового литья:
1 – расходуемый электрод; 2 – шлаковая
ванна; 3 – металлическая ванна; 4 –
отливка; 5 – литейная форма; 6 – поддон
Рис. 55. Установка
направленной
кристаллизации в
жидкометаллическом
охладителе: 1 – керамическая форма;
2 – шток; 3 – печь для
нагрева формы; 4 –
тигель;
5 – жидкометаллический
теплоноситель;
6 – нагреватель
Page 148
расплавом жаропрочного сплава она с помощью штока перемещается с
заданной скоростью в зону охлаждения и постепенно погружается в жидкий
теплоноситель. Материалом для изготовления керамических форм для литья
высокотемпературных сплавов может служить оксид алюминия. Указанным
способом успешно изготовляют лопатки газовых турбин и другие детали из
жаропрочных никелевых сплавов.
Монокристаллические отливки получают как из традиционных, так и
специально разработанных для этого способа сплавов, например, ЖС36,
содержащего рений. Для получения монокристаллических отливок используют
две группы методов.
1. Методы, основанные на приоритетном росте столбчатых зѐрен,
растущих с наибольшей скоростью. Эффект достигается резким сужением
формы.
2. Методы с использованием затравок.
Наконец, способами направленной кристаллизации можно получать
композиционные материалы на основе Al, Mg, Cu, Ni, Co, Ti, Nb, Ta и других
элементов. Например, эвтектических композиций Al–Al3Ni и Al–CuAl2.
Использование направленно кристаллизованных эвтектик делает возможным
повышение рабочих температур на 50–100 оС.
17.2. Сравнительная оценка способов литья
При выборе способа изготовления отливки учитывают как технические
требования, так и технико-экономические показатели. Обязательно
учитываются возможности по обеспечению нужной конфигурации, структуры
металла и уровня механических и специальных эксплуатационных свойств
(табл. 3).
Таблица 3. Технические возможности и сравнительные показатели
различных способов литья
Показатель Способ литья
1
П Д К В О Ц
Максимальная масса отливок, кг 250 000 50 2 000 100 200 50 000
Максимальный размер отливки, м 20 1,2 2 1 1,5 10
Минимальная толщина стенки
отливки, мм 3 0,5 2,2 0,5 1,5 4
Класс размерной точности отливок2 5–16 3т–9 5т–13 3т–11 7т–15 6–15
Квалитет по ГОСТ 25346 – 893 13 11 12–13 11 14 13–14
Степень точности поверхности
отливки2
7–22 2–11 4–14 3–13 6–17 4–14
Шероховатость поверхности2 (Ra),
мкм 8–100
4 2,5–20 4–40 3,2–32 6,3–80 4–40
Минимальный припуск на
обработку (на сторону)2, мм
0,3–6 0,2–0,5 0,3–1 0,1–0,6 0,4–2 0,3–1
Литейные уклоны, град 0,5–3 0,5–1 0,5–1,2 1–2 1–2 3–6
Коэффициент использования
металла, % 60–70 90–95 75–80 90–95 80–95 70–90
Выход годного, % 30–50 50–65 40–60 30–60 50–60 90–100
Page 149
Относительная себестоимость 1 т
отливок 1,0 1,8–2 1,2–1,5 2,5–3 1,5–2 0,6–0,7
Экономически оправданная
серийность, шт Без огр. 1 000 400–800 1 000 200–500
100–
1 000
Преобладающие типы серийности
производства5
Ед, Мс,
С, Кс Кс, Мас
С, Кс,
Мас
Ед, Мс,
С
С, Кс,
Мас
С, Кс,
Мас
Преобладающие разновидности
(группы) отливок по массе6
М, Ср,
Кр, Окр М М, Ср М М, Ср
М, Ср,
Кр,Окр 1 Способы литья: П – песчаные формы, Д – под давлением, К – в кокиль, В
– по выплавляемым моделям, О – в оболочковые формы, Ц – центробежное
литье. 2 Согласно ГОСТ 26645-85 с изменением № 1, 1989 г.
3 Номер квалитета (ГОСТ 25346-89) определялся по классу наибольшей
размерной точности отливки (ГОСТ 26645-85) для каждого способа литья путем
сопоставления значений допусков. 4 Более 100 мкм.
5 Ед – единичное, Мс – мелкосерийное, С – серийное, Кс –
крупносерийное, Мас – массовое. 6 М – мелкие, Ср – средние, Кр – крупные, Окр – очень крупные.
Page 150
ГЛАВА 18. ПРОИЗВОДСТВО ЗАГОТОВОК ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
18.1. Общие сведения
Производство заготовок пластическим деформированием, часто
называемое обработкой давлением, основано на способности металлов и
сплавов изменять форму и размеры без разрушения.
Широко применяют пластическое деформирование как в горячем, так и в
холодном состояниях. Можно выделить следующие основные способы:
прокатка, волочение, прессование, ковка и штамповка (рис. 56).
Рис. 56. Схемы основных способов обработки металлов давлением:
а) прокатка; б) волочение; в) прессование; г) ковка; д) объѐмная
штамповка; е) листовая штамповка
Прокатка осуществляется путѐм захвата заготовки 2 и деформирования еѐ
между вращающимися в разные стороны валками 1 прокатного стана, толщина
полосы при этом уменьшается, а длина и частично ширина возрастают.
Волочение – процесс, при котором исходная заготовка 2 протягивается на
волочильном стане через отверстие инструмента 3, называемого волокой. При
этом поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина – увеличивается.
Прессование – это выдавливание заготовки 4 из специального цилиндра 5
через отверстие матрицы 6, удерживаемой держателем 7. Выдавливание
происходит при помощи пресс-шайбы 8 и пуансона 9.
Ковка заключается в обжатии заготовки 2 между верхним 10 и нижним 11
бойками с применением разнообразного кузнечного инструмента.
Штамповка – процесс деформации металла в штампах, форма и размеры
внутренней полости которых определяют форму и размеры получаемой
поковки. Штамповка бывает объѐмной и листовой. При объѐмной штамповке на
горячештамповочных молотах и прессах исходная заготовка 2 деформируется в
штампе 12. Листовая штамповка заготовки 4 производится на
а) б) в)
г) д) е)
Page 151
холодноштамповочных прессах при помощи пуансона 9, прижима 13 и
матрицы 6.
При обработке давлением по любому способу одновременно с изменением
формы и размеров исходного материала изменяются структура и механические
свойства. Объѐм же металла, если он ранее подвергался деформации, не
меняется. В теории обработки металлов давлением это свойство называется
условием постоянства объѐма.
Если первоначальный объѐм заготовки в форме прямоугольного
параллелепипеда был равен HB1L1, то после деформации имеем:
HB1L1 = hB2L2
или
2 2
1 1
B L
B L
H
h,
где H
h – уковка (высотная деформация);
2
1
B
B – поперечная деформация (уширение);
2
1
L
L – вытяжка.
Сумма смещѐнных объѐмов пластически деформированного тела по трѐм
взаимно перпендикулярным направлениям равна нулю.
На пластичность металлов и их сопротивление пластическому
деформированию влияют: схема напряжѐнного состояния, химический и
фазовый состав, температура и скорость деформирования. Прессование,
прокатка, горячая объѐмная штамповка, ковка характеризуются всесторонним
неравномерным сжатием. Эта схема нагружения наиболее благоприятна для
достижения максимальной степени пластической деформации.
При листовой штамповке и волочении реализуется схема двустороннего
сжатия с растяжением. Металл после обработки давлением приобретает
выраженную анизотропию свойств.
Чистые металлы всегда имеют большую пластичность, чем их твѐрдые
растворы, а однофазные структуры более пластичны, чем двухфазные. Любые
химические неоднородности и растворѐнные газы сильно снижают способность
металла к пластическому деформированию, особенно в области высоких
температур.
При низких температурах пластичность металла уменьшается, а при
повышенных возрастает.
Под скоростью деформирования понимают величину относительного
изменения размеров тела в единицу времени в направлении действующей силы,
т. е.
ср
ср
V
hW ,
где Vcp – средняя скорость инструмента во время деформирования, мм/с;
Δhcp – средняя величина деформации, мм.
Page 152
Для различных процессов обработки давлением средняя скорость
деформации существенно различна (табл. 4).
Таблица 4. Средние скорости деформации для различных видов
оборудования обработки давлением
Влияние скорости деформации на пластичность металла неоднозначно.
При обработке давлением в горячем состоянии увеличение скорости
деформации понижает пластичность металла, а при обработке в холодном –
наоборот.
Нагрев металла перед обработкой давлением. Пластическая деформация
может производиться как в холодном, так и в горячем состояниях. В результате
холодной деформации прочностные характеристики возрастают с увеличением
степени деформации, а пластичность снижается.
Совокупность изменения свойств металла в результате холодной
деформации называют наклѐпом. Наклѐп бывает иногда весьма полезен,
увеличивая в 2–3 раза пределы прочности и текучести, например, в
производстве гвоздей. В то же время наклѐп значительно увеличивает
сопротивление материала деформированию, что вызывает применение машин
большей мощности. Понижение пластичности наклѐпанного металла бывает
весьма значительным. Например, у
низкоуглеродистой стали относительное
удлинение уменьшается с 30–35 % до 5–6 %,
т. е. в 6 раз. Деформирование заготовки при
температуре рекристаллизации Трек
сопровождается снятием наклѐпа.
Процесс обработки давлением, при
котором скорость рекристаллизации достаточна
для полного разупрочнения, называют горячей
деформацией. При горячей деформации
сопротивление металла деформированию
снижается в 8–10 раз. Горячая деформация
предпочтительна при обработке малопластичных
металлов и при больших скоростях деформации.
Температура нагрева для горячей
деформации зависит от природы
деформируемого материала, его химического
Вид оборудования Скорость деформации, с-1
Прессы:
гидравлические 0,03 – 0,06
кривошипные 1,2 – 5,0
паровоздушные молоты 10 – 250
Станы:
прокатные крупносортные 5 – 25
толстолистовые 3,5 – 45
тонколистовые 25 – 200
Рис. 57. Температурный
интервал обработки
давлением углеродистых
сталей
Page 153
состава, а также от толщины заготовки. Однако всегда температура нагрева
должна быть значительно ниже температуры солидуса сплава. Если металл
перегреть, то появляется неисправимый брак – «пережог», вызванный окислением
границ зѐрен.
Температуру начала обработки давлением назначают на 50–100 оС ниже
температуры солидуса сплава (рис. 57).
Заканчивают деформирование при температуре не ниже Трек. Каждый
металл или сплав имеет свой строго регламентируемый интервал обработки
давлением.
Для нагрева заготовок перед обработкой давлением применяют
нагревательные печи (камерные или методические) и электронагревательные
устройства.
18.2. Получение машиностроительных профилей
18.2.1. Прокатное производство
Прокатка – это обработка давлением, при которой исходная заготовка
(слиток или отливка) под действием сил трения непрерывно втягивается между
вращающимися валками и пластически деформируется с уменьшением
толщины и увеличением длины, а иногда и ширины. Почти 90 % всей
выплавляемой стали и значительная часть цветных металлов подвергается
прокатке. В зависимости от формы и расположения валков и заготовок по
отношению к ним различают продольную, поперечную и поперечно-винтовую
прокатки.
При продольной прокатке (рис. 58) заготовка 1 деформируется между двумя
валками 2, вращающимися в разные стороны, и перемещается в направлении,
перпендикулярном осям валков.
а) б) в)
Рис. 58. Схема основных видов прокатки:
а) продольная; б) поперечная; в) поперечно-винтовая; Q – усилие прокатки;
N, T – нормальная и тангенциальная силы соответственно; α– угол захвата;
1 – заготовка; 2 – валки; 3 – оправка
Page 154
При поперечной прокатке валки 2 вращаются в одном направлении, а
заготовка 1, имеющая форму тела вращения, перемещается параллельно осям
валков и обжимается по образующей с увеличением длины и уменьшением
площади поперечного сечения.
При поперечно-винтовой прокатке валки 2 расположены под углом друг к
другу, вращаются в одну сторону и при обжатии заготовки 1 сообщают ей
вращательное и поступательное движения.
Если обозначить через ho, bo и lo соответственно толщину, ширину и длину
исходной полосы, а через h1, b1 и l1 – конечной, то абсолютное обжатие:
Δh = h0 − h1;
соответственно абсолютное уширение
Δb = b1 − b0.
Величину деформации полосы при прокатке характеризуют следующие
показатели (коэффициенты):
коэффициент обжатия
1
0
h
h ;
коэффициент вытяжки
0
1
l
l .
Так как объѐм металла в процессе прокатки не меняется, то
h0b0l0 = h1b1l1 и
1
0
11
00
0
1
F
F
bh
bh
l
l .
Металл соприкасается с каждым из валков по дуге АВ (рис. 59), которую
называют дугой захвата. Угол α, соответствующий этой дуге, называется углом
захвата.
Объѐм металла, ограниченный дугами захвата АВ, боковыми гранями полосы
и плоскостями входа АА металла в
валки и выхода ВВ металла из них,
называют очагом деформации
металла.
Процесс прокатки
обеспечивается трением по
контактным поверхностям валков с
прокатываемой полосой. В момент
захвата со стороны каждого валка
на металл действуют две силы:
нормальная N и тангециальная Т
(сила трения). Известно, что
T = Nf,
где f – коэффициент трения.
Для осуществления захвата
металла валками необходимо, чтобы соблюдалось условие f >tgα, т. е. тангенс
угла захвата должен быть меньше коэффициента трения.
При горячей прокатке стали гладкими валками угол захвата равен 20–26о,
при холодной 5–8о. Усилие прокатки P определяют по формуле:
Рис. 59. Очаг деформации и угол захвата при прокатке (а); схема действия сил в
момент захвата металла валками (б)
а) б)
Page 155
P = PсрF,
где Pср – среднее давление прокатки;
F – горизонтальная проекция контактной площади металла с валком.
Инструментом прокатки являются валки, которые могут быть не только
гладкими (рис. 60), но и с фигурными вырезами – ручьями. Совокупность
соответствующих вырезов в верхнем и нижнем валках образуют калибр.
Калибры могут быть открытыми и закрытыми (рис. 60). Комплект прокатных
валков со станиной называют рабочей клетью.
а) б) в) г)
Рис. 60. Прокатные валки и калибры:
а) гладкий; б) с фигурными вырезами; в) калибр открытый; г) калибр
закрытый
По числу и расположению валков в клетях, прокатные станы подразделяют
на дуо-, трио-, кварто-, многовалковые и универсальные (рис. 61).
а) б) в) г) д)
Рис. 61. Рабочие клети прокатных станов:
а) дуо; б) трио; в) кварто; г) многовалковый; д) универсальные
Форму поперечного сечения продукции, получаемой при прокатке,
называют профилем. Совокупность форм и размеров профилей называют
сортаментом. Сортамент проката подразделяется на группы: сортовой прокат,
листовой, трубы и профили специального назначения (рис. 62).
Page 156
Рис. 62. Разновидности профилей проката:
1–10 – простые; 11–17 – фасонные; 18–34 – сложные специальные
В свою очередь, сортовой прокат по форме сечения разделяют на простой
(круг, квадрат, шестигранник и др.) и фасонный (уголки, тавры и двутавры,
рельсы, швеллеры и др.) Листовой прокат подразделяют на толстолистовой (4
мм и более) и тонколистовой (менее 4 мм).
Наиболее распространѐнными видами проката являются блюмы, слябы и
сортовой прокат.
Блюмы – заготовки квадратного сечения от 450 × 450 до 150 × 150 мм2,
получаемые на блюминге в результате прокатки слитков, предварительно
подогретых до 1 300 оС.
Слябы – заготовки прямоугольного сечения максимальной толщины до 350
мм и шириной до 2 300 мм, идущие для прокатки на толстый лист.
После прокатки на слябинге часть проката направляется на заготовочные
станы. Полученные полосы режут на мерные куски необходимой длины –
сутунки. Последующая обработка включает отделочные операции: зачистку,
травление, удаление поверхностных дефектов. Полученные заготовки
направляются на сортовые и листопрокатные станы. На сортовых станах
заготовка после нагрева в печах последовательно проходит прокатку
в 7–15 калибрах, в последнем из которых получают требуемый профиль
(рис. 63).
Рис. 63. Последовательность проката рельса на сортопрокатном стане
Page 157
Современная технология позволяет получать непрерывной холодной
прокаткой листы толщиной менее 0,1 мм с суммарным обжатием до 80–90 %
без промежуточной термической обработки.
Прокаткой освоено производство бесшовных и сварных труб как из стали,
так и цветных металлов. Бесшовные изготовляют диаметром 30–650 мм с
толщиной стенки от 2 до 160 мм, сварные – диаметром от 5 до 2 500 мм.
Возможно получение профилей специального назначения. Например, шары
для подшипников, заготовки для шатунов, цельнокатаные вагонные колѐса и др.
18.2.2. Волочение
Волочение – это процесс протягивания
прутка или трубы через очко специального
инструмента – волоки, размеры которого меньше,
чем исходные размеры заготовки. Волочильный
инструмент изготовляют из закалѐнной стали,
твѐрдых сплавов ВК2, ВК3, ВК6, ВК8, а для
прецизионных изделий – из алмаза.
Волочение производят в холодном состоянии.
Исходным материалом могут быть горячекатаный
пруток, сортовой прокат, проволока, трубы.
Волочением обрабатывают стали, цветные
металлы и сплавы. Можно получать проволоку с
минимальным диаметром до 0,002 мм, прутки
простой и сложной конфигурации, тонкостенные
трубы и пр. Применяют волочение и для
калибровки сечения и повышения качества
поверхности.
Основной инструмент при волочении
сплошных профилей – волоки различной
конструкции, а при волочении полых профилей –
волоки и оправки к ним (рис. 64).
Волока 1 закрепляется в обойме 2 на жѐсткой волочильной доске. Волока
имеет четыре зоны: входную – I, рабочую (деформирующую) – II, калибрующую
(очко или поясок) – III и выходную – IV. Калибрующая зона обычно имеет
цилиндрическую форму. Остальные зоны – конические.
Угол рабочего конуса деформирующей зоны выбирают в пределах 10–20о, в
зависимости от вида изделия и свойств деформируемого металла.
До начала волочения конец заготовки заостряют, пропускают через очко,
захватывают тяговым механизмом волочильной машины, протягивающим еѐ
через волоку, подвергая при этом деформации – обжатию и вытяжке. В
зависимости от способа осуществления тяги волочильные машины
подразделяются на цепные и барабанные (рис. 65). Основными элементами
стана цепного типа является станина 1, механизм перемещения тележки 5, цепь
4, тележка с захватом 3, стойка для крепления инструмента (волоки) 2. Длина
Рис. 64. Разрез волоки: 1 – волока; 2 – обойма;
I – входная зона; II – рабочая (деформирующая) зона; III –
калибрующая (очко или поясок) зона; IV – выходная
зона
Page 158
протягиваемого изделия ограничивается длиной станины и не превышает 15 м.
Скорость волочения – до 2 м/с.
Рис. 65. Схема волочильного стана цепного типа:
1 – станина; 2 – волока; 3 – волочильная тележка; 4 – цепь; 5 – привод
волочильной тележки
Барабанные станы в зависимости от назначения могут быть
однобарабанными и многобарабанными. Первые применяют при волочении
толстой проволоки диаметром 4–25 мм и реже труб. В станах многократного
волочения обработка происходит последовательно в нескольких волоках (до 30
волок). Скорость волочения может достигать 20 м/с. Степень деформации при
волочении:
0 1
0
100%F F
F100 %,
как правило, не превышает 30–35 %, коэффициент вытяжки μ за один
проход 1,25–1,45.
Волочение обеспечивает высокую точность, малую шероховатость
поверхности и большую степень упрочнения. После волочения изделия, как
правило, не обрабатываются.
18.2.3. Прессование
Прессованием называют процесс выдавливания находящегося в контейнере
металла через одно или несколько отверстий в матрице с площадью меньшей,
чем поперечное сечение исходной заготовки. Прессование обычно применяют
для обработки цветных металлов и сплавов, но иногда и сталей, так как
реализуется наиболее благоприятная схема нагружения – всестороннее сжатие.
Коэффициент вытяжки μ при прессовании составляет 10–50. Степень
обжатия достигает 90 %. Исходный материал для прессования – литые или
прокатанные заготовки. Прессованием можно получать профили различного
сечения (рис. 66), в том числе и прутки диаметром 5–300 мм, трубы диаметром
18–350 мм и толщиной стенок 1,5–50 мм. Различают два метода прессования:
прямой и обратный (рис. 67).
Page 159
Рис. 66. Примеры
прессованных профилей
Рис. 67. Методы прессования:
а) прямой; б) обратный; в) прессование трубы
При прямом методе прессования заготовка 3 помещается в контейнер 4
пресса. С одной стороны контейнера посредством матрицедержателя 2
закреплена матрица 1 с выходным отверстием. С другой стороны контейнера
имеется пуансон 5 с прессшайбой 6 на конце.
При обратном методе прессования в контейнер 4 вместо пресс-шайбы
входит полый пуансон 5 с матрицей 1 на его конце.
При обратном прессовании отходы металла уменьшаются на 5–6 % и
снижается усилие прессования. Однако этот метод имеет ограниченное
применение из-за сложности конструкции пресса и удаления изделия из полого
пуансона.
При прессовании труб заготовка 3, помещѐнная внутрь контейнера 4,
сначала прошивается стальной иглой 7. Передний конец иглы проходит через
всю заготовку и выходит через отверстие матрицы 1. Между стенками отверстия
матрицы и наружной поверхностью иглы образуется кольцевой зазор. При
движении пуансона 5 вместе с пресс-шайбой 6 в направлении матрицы металл
выдавливается в кольцевой зазор и принимает форму трубы 8.
Методом прессования обычно получают изделия из предварительно
нагретых заготовок однако, в последние годы широко применяют холодное
прессование, которое обеспечивает получение точных профилей без
последующей механической обработки. Этим методом получают изделия из
металлов и сплавов, высокопластичных в холодном состоянии.
18.2.4. Гидроэкструзия
Гидроэкструзия – это прессование жидкостью высокого давления.
Заготовка деформируется не жѐстким пуансоном, а жидкостью, подаваемой в
полость контейнера (рис. 68).
Преимуществами процесса являются: значительное повышение
пластичности обрабатываемого металла; отсутствие неравномерности
деформации; значительное уменьшение удельного давления прессования (на
30–40 %); возможность деформирования в холодном состоянии; повышение
стойкости матриц; улучшение структуры и свойств обработанного металла.
а) б)
в)
Page 160
Гидроэкструзия позволяет обрабатывать
тугоплавкие и хрупкие материалы и изготовлять
из них широкую номенклатуру изделий (профили,
трубы, проволоки, биметаллы и др.).
К недостаткам метода можно отнести:
сложность конструкций и эксплуатации
оборудования для создания и удержания давления
жидкости до 3000 МПа и выше; резкое
возрастание скорости движения экструдируемого
изделия с ростом давления жидкости (скорость
пули); необходимость проведения
предварительной заточки переднего конца
заготовки и других операций, что повышает
трудоѐмкость процесса.
В зависимости от давлений и температур
обработки применяют различные типы
жидкостей: жидкое стекло, глицерин, воду, масла,
силикон, керосин, битумы и др.
Применение гидроэкструзии оправдано: при
получении изделий из труднодеформируемых
материалов; при изготовлении изделий с большими степенями деформации
(коэффициент вытяжки 200 и более); при необходимости улучшения физико-
механических и эксплуатационных свойств обрабатываемого материала; для
получения тонкостенных труб и профилей высокой точности; при получении
изделий из композиционных, порошковых и других материалов.
Практически на любом машиностроительном заводе существуют
кузнечные цехи или участки для изготовления поковок, получаемых свободной
ковкой или объѐмной штамповкой. Ниже кратко приведены сведения об этих
методах.
18.2.5. Свободная ковка
Ковка может быть машинной и ручной. Ручную ковку применяют главным
образом при ремонтных и сборочных работах. Машинную ковку производят с
применением кузнечно-прессовых машин. Мелкие и средние по массе поковки
(до 750 кг) изготовляют на молотах, а крупные (до 350 т) – на прессах.
Основные операции ковки: осадка, протяжка, раскатка на оправке, гибка,
скручивание, рубка, пробивка, прошивка и кузнечная сварка.
Осадка – уменьшение высоты заготовки при увеличении площади еѐ
поперечного сечения (рис. 69), производимая бойками или осадочными
плитами.
Протяжка – удлинение заготовки или еѐ части за счѐт уменьшения площади
поперечного сечения. Разновидностями протяжки являются раскатка и протяжка
на оправке (рис. 69).
Раскатка – увеличение диаметра кольцевой заготовки при вращении за счѐт
уменьшения еѐ толщины с помощью бойка и оправки.
Рис. 68. Схема прессования
жидкостью высокого давления:
1 – заготовка; 2 – жидкость
высокого давления; 3 –
контейнер;
4 – матрица
Page 161
Гибка – образование или изменение углов между частями заготовки или
придание ей криволинейной формы.
Скручивание – поворот части заготовки вокруг продольной оси.
Рубка – полное отделение части заготовки.
а) б) в) г)
д) е) ж) з) и)
Рис. 69. Операции ковки:
а) осадка; б) протяжка; в) раскатка; г) протяжка на оправке; д) гибка; е)
закручивание; ж) рубка; з) пробивка; и) прошивка
Пробивка – образование в заготовке отверстия с удалением материала в
отход путѐм сдвига.
Прошивка – получение полостей в заготовке за счѐт вытеснения материала.
Кузнечная сварка – образование неразъѐмного соединения под действием
давления в нагретом состоянии.
Для получения крупных поковок массой до 300 т заготовками служат
слитки массой до 350 т. Для более мелких поковок в качестве заготовок
применяют прокат круглого либо квадратного сечения.
Ковку применяют в штучном и мелкосерийном производстве.
18.2.6. Горячая объѐмная штамповка
Штамповка – это способ изготовления изделий давлением с помощью
специального инструмента (штампов), рабочая полость которых определяет
конфигурацию изделия. Полости в верхней и нижней частях штампа называют
ручьями штампа.
Исходным материалом для горячей объѐмной штамповки служит прокат –
чаще из углеродистых или низколегированных сталей, реже из цветных
металлов и сплавов. Достоинства горячей объѐмной штамповки:
высокая производительность – до сотен поковок в час;
меньшие припуски и допуски, чем при свободной ковке;
меньшая квалификация штамповщика по сравнению с кузнецом.
Наиболее широкое применение получила штамповка на молотах, прессах и
горизонтально-ковочных машинах. Разновидностями горячей объѐмной
штамповки являются штамповка в открытых штампах, в закрытых штампах и в
штампах для выдавливания.
Page 162
Штамповка в открытых штампах (рис. 70) характеризуется тем, что
полость штампа в процессе деформирования незамкнута. В последний момент
происходит вытеснение избытка металла в заусенечную канавку, образуется
облой (заусенец).
Рис. 70. Штамповка в открытых штампах:
а) начальная стадия; б) стадия образования заусенца; в) конечная стадия
штамповки;
1, 2 – нижняя и верхняя половины штампа;3 – исходная заготовка; 4 –
заусенец; 5 – заусенечная канавка
Штамповка в закрытых штампах характеризуется тем, что деформация
заготовки происходит в закрытой полости штампа (рис. 71). Весь объѐм
металла, находящегося в полости штампа, идѐт на формообразование поковки
без образования облоя. Коэффициент использования металла составляет 0,75–
0,8. Однако требуются заготовки высокой точности.
Штамповка выдавливанием, применяемая для изготовления поковок из
малопластичных высокопрочных сталей, подразделяется на штамповку прямым
выдавливанием, прошивкой (обратное выдавливание) (рис. 72) и
комбинированным.
а) б)
Отделочные операции включают: обрезку заусенца, правку, термическую
обработку, очистку от окалины и калибровку.
18.2.7. Холодная объѐмная штамповка
Под холодной штамповкой понимают штамповку без предварительного
нагрева заготовки. Это наиболее прогрессивный и высокопроизводительный
метод получения деталей из сталей и цветных металлов и сплавов. Обеспечение
б) а) в)
Рис. 71. Штамповка в закрытых штампах:
1, 2 – верхняя и нижняя части штампа
Рис. 72. Штамповка выдавливанием:
а) комбинированная (1 – обратное, 2 –
прямое выдавливание); б) в разъемных
матрицах
Page 163
высокой точности (классы 3–2) и чистоты поверхностей (класс шероховатости
выше 7) даѐт возможность получения болтов, винтов, фасонных гаек, шариков,
зубчатых колѐс и т. д.
Основное преимущество холодной штамповки перед горячей – в
возможности деформирования заготовок малой толщины (полоса) и поперечного
сечения (пруток, проволока). Кроме того, производительность холодной
штамповки в 2–3 раза выше, чем горячей, и в 10–15 раз выше по сравнению с
обработкой резанием. Трудоѐмкость изготовления болтов на холодновысадочных
автоматах в 200–400 раз меньше, чем на токарно-револьверных станках.
Операции холодной объѐмной штамповки подразделяют на
разделительные и формообразующие. Разделительные – это отрезка, обрезка и
др. Формообразующие – открытая и закрытая осадка, высадка, прямое и
обратное выдавливание. Для массового производства наиболее широко
применяют холодновысадочные автоматы с использованием в качестве
заготовок проволоки и калиброванных прутков. Экономия металла при этом
составляет 40–70 % по сравнению с полученными обработкой резанием на
токарных станках. Коэффициент использования металла достигает 95 %.
Вместе с тем образование наклѐпа в процессе холодного деформирования
приводит к снижению пластичности и введению дополнительных операций, в
частности отжига.
Холодная штамповка практически неприменима для получения крупных
изделий. Масса деталей, штампуемых на автоматах, достигает 3,5 кг, а на прессах
– 40 кг, диаметр поковок – до 200 мм.
18.2.8. Листовая штамповка
Листовая штамповка – это метод получения изделий обработкой
давлением, для которых исходными заготовками служат либо листовой
материал, либо катаные и гнутые профили. Листовую штамповку осуществляют
как в холодном, так и в подогретом состояниях.
Операции листовой штамповки классифицируют на разделительные и
формообразующие. При выполнении разделительных операций
деформирование заготовки происходит вплоть до разрушения. Разделительной
резкой получают изделия, к которым не предъявляют высоких требований
качества поверхностей разделения. Например, заготовки для последующей
обработки. Основные виды разделительных операций: отрезка, вырубка,
пробивка.
Из формообразующих операций наиболее широко применяют гибку и
вытяжку. Мерой деформации при вытяжке является коэффициент, равный:
загВ
изд
DK
d,
где Dзаг – диаметр заготовки; dизд – диаметр изделия.
Обычно Кв = 1,6–2,2.
Разделительные операции осуществляют на механических ножницах или
на штампах, установленных на прессах. Формообразующие операции проводят
Page 164
на механических прессах с увеличенным ходом, а также на гидравлических
прессах.
В единичном и мелкосерийном производствах применять жѐсткие штампы
экономически невыгодно. В этих случаях применяют штамповку в
универсальных штампах эластичной средой, электрогидравлическую,
магнитно-импульсную, штамповку взрывом и др.
Известны две разновидности штамповки эластичной средой: вытяжка
резиновым пуансоном и вытяжка резиновой матрицей (рис. 73). Резину иногда
заменяют полиуретаном, выдерживающим до 50 000 штамповок.
I а) II I б) II
Рис. 73. Штамповка эластичной средой:
а) вытяжка резиновым пуансоном; б) вытяжка резиновой матрицей;
1 – начальная стадия процесса; II – конечная стадия процесса
Штамповку взрывом применяют для
изготовления крупногабаритных деталей
при толщине более 2 мм. Преимущество
этого метода – высокая экономичность из-
за резкого сокращения капитальных затрат
и сроков подготовки производства, а также
возможность штамповки деталей из
высокопрочной стали.
Штамповка взрывом основана на
деформации листовой заготовки 2 (рис. 74)
давлением ударной среды, образующейся
при взрыве заряда 1. В зависимости от
размеров штамповка происходит либо в
бассейне с водой, либо в бронекамерах.
В основу электрогидравлической штамповки положен
электрогидравлический эффект образования ударных волн при мощных
электрических разрядах в несжимаемых жидкостях (рис. 75). Время разряда
составляет около 4·10-5
с.
Магнитно-импульсная штамповка характеризуется тем, что давление на
деформируемую заготовку создаѐтся непосредственным воздействием
импульсного магнитного поля, без участия промежуточных сред (рис. 76).
Магнитный импульс длится 10–20 мкс, создавая давление 350–390 МПа (3 500–
3 900 кгс/см2). Движущаяся со скоростью 300–400 м/с заготовка ударяется о
матрицу 4 и деформируется. Метод получил применение в промышленности
для вытяжки, пробивки отверстий, обжатия и раздачи труб и в других случаях.
Рис. 74. Схема штамповки взрывом:
1 – заряд; 2 – заготовка; 3 – матрица
Page 165
Рис. 75. Схема электрогидравлической
штамповки:
1 – камера; 2 – электроды; 3 – заготовка; 4 –
матрица; 5 – контейнер; 6 – источник тока
Рис. 76. Магнитно-импульсная
штамповка:
1 – источник тока; 2 – индуктор; 3 –
заготовка; 4 – матрица
Page 166
ГЛАВА 19. ПРОИЗВОДСТВО НЕРАЗЪЁМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
19.1. Сварочное производство
Физико-химические основы получения сварного соединения. Сварка – это
процесс получения неразъѐмных соединений посредством установления
межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании или
пластическом деформировании.
Для установления межатомных связей соединяемые поверхности
необходимо сблизить на расстояние, близкое к величине параметра
кристаллической решѐтки.
Если торцевые поверхности а и б металлических стержней 1 и 2 (рис. 77)
идеально чистые с идеально
гладкими поверхностями, а
кристаллические решѐтки
контактируемых зѐрен имеют
одинаковую ориентацию, то
для образования сварного
соединения потребуется
небольшое усилие сжатия
(механическая активация) или
затрата энергии в виде
теплоты (термическая
активация).
Затраты энергии в
реальных условиях в
несколько раз выше, так как
соединяемые поверхности
имеют поликристаллическое
строение и различные загрязнения.
В зависимости от характера вводимой энергии все сварочные процессы
можно отнести к термическим, термомеханическим и механическим (табл. 5).
Таблица 5. Классификация видов сварки
Ви
ды
свар
ки
Класс
термический термомеханический механический
Дуговая
Электрошлаковая
Электронно-лучевая
Плазменная
Ионно-лучевая
Тлеющим разрядом
Световая
Индукционная
Газовая
Термитная
Литейная
Контактная
Диффузионная
Индукционно-прессовая
Газопрессовая
Дугопрессовая
Шлакопрессовая
Термокомпрессионная
Печная
Холодная
Взрывом
Ультразвуковая
Трением
Магнитно-импульсная
Рис. 77. Схема энергетического состояния идеально
чистых поверхностей соединяемых стержней:
К – атомы, выходящие на поверхность и имеющие
свободные связи Р; М – атомы, взаимно
уравновешенные, не имеющие свободных связей
Page 167
19.1.1. Термические виды сварки
В качестве источников теплоты используют электрическую дугу, плазму,
электронно- и ионно-лучевой, световой, индукционный, электрошлаковый и
другие виды нагрева.
Сварочная дуга может применяться между электродом и изделием (дуга
прямого действия), между двумя электродами (дуга косвенного действия) и
комбинированный вариант (трѐхфазная дуга). Температура дуги для разных
материалов колеблется в пределах 6 000–15 000 К.
Количество теплоты, введѐнной в изделие, определяется коэффициентом
полезного действия сварочной дуги:
ДД
эфJU
q
24,0,
где q – количество теплоты, введѐнной в металл изделия, Дж/с;
Uд – напряжение на дуге, В;
Jд – сила сварочного тока, А.
Если электрическая дуга функционирует в замкнутом канале, то источник
нагрева называют плазменно-лучевым или плазменно-дуговым.
Электронно-лучевой нагрев заключается в бомбардировке металла потоком
ускоренных электронов, кинетическая энергия которых при торможении в
поверхностном слое металла превращается в тепловую. Мощность W,
передаваемая изделию, зависит от тока пучка электронов J и ускоряющего
напряжения U, т. е.
W = ηэф·J∙U.
Световые источники нагрева используют энергию лазеров, солнечную
энергию и других источников света. Наконец, в качестве источника теплоты
широко пользуются газовым пламенем ацетилена. В табл. 6 приведены
характеристики некоторых источников теплоты.
Таблица 6. Энергетические характеристики сварочных источников
теплоты
Виды Минимальная
площадь пятна
нагрева, м2
Максимальная
плотность
энергии, Вт/м2
Погонная
энергия,
Дж/м
Газовая сварка 10-6
5·108 52·10
5
Ручная дуговая сварка 10-7
1011
23·105
Аргонодуговая
плавящимся электродом
10-7
1011
13·105
Ионно-лучевая 10-7
– 10-8
– –
Микроплазменная 10-10
1012
8·105
Электронно-лучевая 10-11
1013
1,5·105
Лазерная 10-12
1014
0,4·105
Дуговая сварка выполняется неплавящимся и плавящимся электродами.
Для заполнения разделки кромок применяется присадочный материал в виде
металлического стержня, подаваемого в дугу.
В изделиях, имеющих короткие и прерывистые швы, а также швы сложной
конфигурации, применяют ручную дуговую сварку. Она даѐт возможность
Page 168
проводить сварку в любом пространственном положении. Можно сваривать
стали, чугун, медные сплавы. Однако возникают трудности при сварке тонкого
материала (менее 1–2 мм).
Автоматическая дуговая сварка под флюсом имеет ряд преимуществ перед
ручной: эффективная и экономичная защита расплавленного металла от
кислорода воздуха, высокая производительность (в 5–25 раз выше ручной),
высокое качество сварного шва и др. К числу недостатков можно отнести
трудности выполнения швов в потолочном исполнении и в вертикальной
плоскости. Сварку под флюсом производят либо на автоматах в виде
самодвижущейся тележки, называемой трактором, либо с помощью
неподвижной сварочной головки и перемещающегося изделия.
Дуговая сварка может осуществляться в защитных средах, например, в
инертных газах. Представляет интерес электрошлаковая сварка, сущность
которой заключается в том, что расплавление электродной проволоки и
свариваемых кромок производится за счѐт теплоты расплавленного флюса,
который нагревается при прохождении через него тока. Электрошлаковый
процесс осуществляется благодаря джоулевой теплоте и является бездуговым.
Сварка выполняется вертикально, снизу вверх. Электрошлаковой сваркой
соединяют детали толщиной более 40–50 мм, причѐм верхний предел толщины
свариваемых деталей практически не ограничен.
При электронно-лучевой сварке движение электронов происходит в
глубоком вакууме, поэтому сварочная установка включает герметичную камеру
с системой откачивающих насосов. Наиболее рационально еѐ применять для
сварки изделий из тугоплавких металлов в труднодоступных местах, для
соединения разнородных металлов, сварки деталей малых толщин, сварки в
космосе и т. д. Электронно-лучевая
сварка обеспечивает минимальные
деформации. Недостатками электронно-
лучевой сварки можно считать
ограниченные размеры свариваемых
деталей, наличие рентгеновского
излучения и высокую стоимость
оборудования.
При плазменной сварке в горелку
подаются плазмообразующий и
защитный газы (рис. 78). Наиболее
широко применяют микроплазменную
сварку, дающую возможность сваривать
детали толщиной 0,1–0,5 мм, например,
сильфоны, тонкостенные трубопроводы
и другие изделия. В радиоэлектронике
и для сварки через прозрачные среды, в
труднодоступных местах используют
лазерную сварку.
Газовую сварку осуществляют за
Рис. 78. Схема сварки плазменной дугой:
1 – сварочный источник питания; 2 –
высокочастотный генератор; 3 –
вольфрамовый электрод; 4 –
плазмообразующий газ; 5 – охлаждающая
вода; 6 – защитный газ; 7 – сопло
защитного газа; 8 – сопло, формирующее
дугу; 9 – дуга; 10 – изделие
Page 169
счѐт теплоты, выделяемой при сгорании ацетилена в кислороде. Газовая сварка
сопровождается нагревом широкой зоны и большими деформациями,
изменением структуры соединяемых частей. Еѐ применяют в основном в
ремонтных и монтажных работах.
Термитная сварка осуществляется за счѐт тепловой энергии, выделяемой в
результате алюминотермического процесса:
3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe + 3 683 кДж/кг шихты;
Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe + 3 997 кДж/кг шихты.
Применяется при ремонтных работах. Одна из схем термитной сварки
приведена на рис. 79.
Рис. 79. Схема процесса термитной сварки рельсов
19.1.2. Термомеханические виды сварки
Наиболее распространѐнными разновидностями являются контактная,
диффузионная и индукционно-прессовая сварки. Контактную сварку, в свою
очередь, подразделяют на точечную, шовную, стыковую и рельефную. При
точечной сварке детали собираются внахлѐстку и свариваются по отдельным
участкам касания, называемым точками. Основным типом соединения при
точечной сварке является нахлѐсточное. Разновидностью контактной точечной
сварки является рельефная сварка (по предварительно подготовленным
выступам).
Шовная сварка обеспечивает соединение элементов внахлѐстку
вращающимися дисковыми электродами в виде непрерывного или
прерывистого шва.
Стыковая сварка – это контактная сварка, при которой соединение деталей
происходит по поверхности стыкуемых торцов.
Диффузионная сварка деталей происходит в твѐрдом состоянии вследствие
возникновения связей на атомарном уровне. Свариваемые детали сдавливают с
небольшим усилием и нагревают. Обычно температуру нагрева берут в
интервале 0,4–0,8Тпл. К достоинствам диффузионной сварки можно отнести
отсутствие плавления металла, незначительное изменение свойств основного
металла, минимальные остаточные напряжения и деформации.
Индукционно-прессовая сварка заключается в нагреве свариваемых кромок
индуктором и сжатии их с помощью зажимов. Плавления кромок не
происходит. При использовании токов радиочастот (70–450 кГц) можно
сваривать стали, медные и алюминиевые сплавы, а также титан и цирконий. Так
Page 170
получают трубы диаметром от 10–12 до 1 000–1 200 мм. Вследствие малой
глубины проникновения тока металл расплавляется только у поверхности
кромок, что снижает деформации.
19.1.3. Механические виды сварки
К механическим видам сварки относят холодную сварку, сварку взрывом,
ультразвуковую сварку, сварку трением и магнитно-импульсную сварку.
Холодная сварка – это сварка в твѐрдой фазе со значительной объѐмной
пластической деформацией не только в зоне контакта соединяемых материалов.
Она проводится при комнатной температуре. По форме получаемого
соединения холодная сварка может быть точечной, шовной, стыковой, а по
характеру деформаций – сваркой сдавливанием и сваркой сдвигом. При
точечной холодной сварке в качестве инструмента используют один или два
пуансона, а при шовной – ролики. При стыковой сварке детали прочно
закрепляются в зажимных цангах.
При холодной сварке сдвигом наряду с нормальными усилиями,
сдавливающими соединяемые детали, прикладываются дополнительные
усилия, обеспечивающие относительное смещение свариваемых поверхностей.
Сдавливание и одновременный сдвиг свариваемых поверхностей способствуют
разрушению оксидных плѐнок, облегчают снятие неровностей, что приводит к
более полному контакту между соединяемыми поверхностями. Холодной
сваркой соединяют металлы, обладающие хорошими пластическими
свойствами: алюминий, свинец, олово, медь, цинк и др.
Сварка взрывом обеспечивает образование соединения в результате
соударения поверхностей при помощи взрывчатого вещества. За счѐт энергии
взрыва можно соединять биметаллические, а также композиционные
материалы.
Ультразвуковая сварка – это соединение деталей под влиянием давления и
ультразвуковых колебаний сдвига. Наиболее рационально применение этого
метода в следующих областях:
сварка деталей малой толщины;
сварка деталей разной толщины и разнородных материалов (например,
металла со стеклом);
сварка деталей из термообработанных материалов;
сварка без предварительной зачистки поверхностей деталей.
К числу недостатков можно отнести ограничение толщины свариваемых
деталей (не более 1,5–2,0 мм) и нестабильность прочности сварных
соединений.
Сварка трением основана на образовании сварного соединения под
влиянием давления и нагрева за счѐт трения при вращении одной из
свариваемых деталей. Можно сваривать детали из разнообразных материалов, в
том числе и разнородных. Метод высокопроизводителен и экономичен. Его
применяют для получения заготовок различного режущего инструмента.
Однако одна или обе детали должны быть телами вращения.
Page 171
Наконец, магнитно-импульсная сварка – это образование соединения в
результате соударения соединяемых частей, вызванного воздействием
импульсного магнитного поля. Кратковременность действия импульса
напоминает сварку взрывом. Соединение получается волнистым. Длительность
импульсов такая же, как и при взрыве (10–100 мкс), однако давление на порядок
ниже, чем при сварке взрывом. Магнитно-импульсная сварка –
высокопроизводительный процесс, дающий хорошее качество соединения, в
том числе герметичность и термостойкость. Можно сваривать разнородные
материалы, например, алюминий и медь, медь и коррозионно-стойкую сталь и
др.
19.2. Пайка материалов
Пайкой называют процесс соединения материалов в твѐрдом состоянии
припоями, которые при температуре пайки находятся в расплавленном
состоянии, смачивают поверхности для пайки, заполняют зазор между ними и в
результате кристаллизации образуют паяный шов.
Пайка по сравнению со сваркой обладает рядом преимуществ. Не
происходит существенных изменений химического состава и механических
свойств соединяемых деталей. Остаточные деформации паяных соединений
ниже, чем у сварных. Можно соединять разнородные материалы (даже металлы
с неметаллами). С помощью пайки получают как неразъѐмные, так и разъѐмные
соединения, что важно в производстве радиоэлектронной аппаратуры. Наконец,
во многих случаях пайка экономичнее сварки.
Припой должен обладать не только хорошей смачиваемостью основного
материала и хорошо растекаться по его поверхности, но и обладать
достаточной прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью в паре с
основным материалом и быть не дефицитным и не дорогим. Существующие
припои разделяют на пять групп: особо легкоплавкие (Tпл ≤ 145 оC),
легкоплавкие (145 оC ≤ Tпл ≤ 450
оC), среднеплавкие (450
оC ≤ Tпл ≤ 1 100
оC),
высокоплавкие (1 100 оC ≤ Tпл ≤ 1 850
оC) и тугоплавкие (Tпл >1 850
оC). Широко
применяются легкоплавкие оловянно-свинцовые припои (ПОС-61, ПОС-40,
ПОС-18). Наряду с припоями при пайке для растворения и удаления оксидов с
поверхности соединяемых деталей, а также для улучшения смачиваемости и
растекания припоя применяют флюсы. В качестве флюса для пайки
легкоплавкими припоями обычно применяют канифоль. Иногда применяют
добавки, например, хлористый цинк.
Современные способы пайки классифицируют по следующим
независимым признакам: удалению оксидной плѐнки, кристаллизации паяного
шва, получению припоя, заполнения зазора припоем, источнику нагрева,
наличию давления при пайке на детали и одновременности выполнения паяных
соединений.
Основными операциями технологического процесса пайки являются:
подготовка поверхностей под пайку, сборка деталей, укладка припоя, нанесение
флюса, пайка, обработка соединения после пайки.
Page 172
19.3. Получение неразъѐмных соединений склеиванием
Клеями называют сложные вещества на основе полимеров, способные при
затвердевании образовывать прочные плѐнки, хорошо прилипающие к
различным материалам и дающие возможность получать относительно прочные
неразъѐмные соединения. По сравнению с другими видами соединений клеевые
соединения обладают рядом преимуществ. Они позволяют соединять
разнородные материалы (металл, керамику, пластмассу, дерево) в различных
сочетаниях. Клеевые швы атмосферостойкие, не подвержены коррозии,
позволяют обеспечивать герметичность соединения. Масса конструкции
практически не увеличивается. Клеевые соединения выдерживают
относительно высокие и низкие температуры. К недостаткам можно отнести
сравнительно низкую теплостойкость при длительной эксплуатации и низкую
прочность при несимметричном нагружении и неравномерном отрыве.
Для приготовления клеев используют термопластичные и термореактивные
полимеры. Клеи на основе термопластичных полимеров дают малопрочные
соединения, разъединяющиеся с повышением температуры. Обычно их
используют для склеивания бумаги, картона, тканей. Клеи на основе
термореактивных полимеров дают более прочные соединения. К ним относят
клеи на основе эпоксидных смол. Их применяют для склеивания различных
металлических и неметаллических материалов. Клеи на эпоксидной основе
выдерживают воздействие температур от -253 до +1 000 оС, длительно
сохраняют прочность при эксплуатации, обеспечивают вакуумную плотность
соединений и стойкость к циклическому тепловому воздействию. Также широко
используют кремнийорганические, полиуретановые, резиновые и некоторые
другие клеи.
Прочность клеевого соединения зависит от качества подготовки
поверхности склеиваемых материалов. Для улучшения сцепления поверхность
деталей зачищают наждачной бумагой, обезжиривают растворителями (спирт,
ацетон). Оптимальная толщина клеевой плѐнки должна быть 0,1–0,6 мм.
Page 173
ГЛАВА 20. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ПОЛУФАБРИКАТОВ И ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
К композиционным материалам, или композитам, относят не
встречающиеся в природе материалы, которые обладают следующей
совокупностью признаков: состоят из двух или более компонентов,
различающихся по своему химическому составу или структуре и разделѐнных
выраженной границей; имеют новые свойства, отличающиеся от свойств
составляющих их компонентов (при этом свойства определяются каждым из
компонентов), неоднородны в микромасштабе и однородны в макромасштабе.
Как правило, материал формируется в процессе изготовления детали.
Композиты можно классифицировать по различным признакам:
по виду структурных элементов (волокнистые, слоистые, дисперсно-
упрочнѐнные, псевдосплавы, эвтектические);
по материалу матрицы (металлическая, полимерная или керамическая);
по типу ориентации армирующих элементов (хаотично армированные и
упорядоченно армированные);
по назначению (конструкционные, коррозионностойкие,
антифрикционные, абляционные, пьезоэлектрические, теплозащитные и т. д.);
по отраслям применения (аэрокосмос, электроника, автомобиле- и
судостроение, стоматология и т. д.).
В настоящее время наиболее широкое использование находят композиты на
основе полимерных матриц (стеклопластики, углепластики и др.). Из
композиционных материалов на основе металлических матриц перспективны:
алюминий, армированный борными или углеродными волокнами;
эвтектические композиты на основе никелевых сплавов и др.
20.1. Физико-технологические основы получения композиционных материалов
Компоненты композиционного материала различны по геометрическому
признаку: компонент, обладающий непрерывностью по всему объѐму, называют
матрицей; компонент прерывный, разделѐнный в объѐме композиционного
материала, считают армирующим или упрочняющим.
В качестве матриц в композитах могут быть использованы металлы и их
сплавы, а также полимеры органического или неорганического происхождения,
керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют
технологические параметры процесса получения композиции и еѐ
эксплуатационные характеристики: плотность, удельную прочность, рабочую
температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию
агрессивных сред.
Армирующие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как
правило, обладают высокими прочностью, твѐрдостью и модулем упругости,
превосходящими эти показатели у матрицы.
Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-
химических свойств компонентов, но и прочности связи между ними. Обычно
Page 174
компоненты выбирают со свойствами, значительно отличающимися друг от
друга. Высокая надѐжность в работе конструкций из композиционных
материалов связана с особенностями распространения в них трещин. В
обычных сплавах трещина развивается быстро, и скорость роста ее в период
работы детали возрастает. В композиционных материалах трещина обычно
возникает и развивается в матрице и, встречая на своем пути армирующий
элемент, прекращает свое развитие.
Выбор метода получения композиции из различных сочетаний матрицы и
армирующего компонента определяется рядом факторов: размерами, профилем
и природой исходных материалов матрицы и упрочнителя; возможностью
создания прочной связи на границе раздела «матрица-упрочнитель»;
возможностью получения равномерного распределения упрочнителя в матрице;
возможностью совмещения процессов получения композита и изготовления из
него деталей; экономичностью процесса.
Ниже приведены основы технологии изготовления полуфабрикатов и
изделий из композиционных материалов.
20.1.1. Изготовление полуфабрикатов и изделий из металлических композиционных материалов (МКМ)
Наибольшее распространение получили твѐрдофазные, жидкофазные,
газопарофазные, химические и электрохимические процессы.
В качестве матриц для МКМ широко используются алюминий, магний,
титан, никель, кобальт. Для твѐрдофазных методов характерно использование
матрицы в твѐрдом состоянии преимущественно в виде порошка, фольги или
компактного металла. Композит получают одним из следующих приѐмов:
диффузионной сваркой под давлением; сваркой взрывом; деформационной
обработкой под давлением; прессованием с последующим спеканием.
Жидкофазные методы предусматривают получение МКМ путѐм совмещения
армирующих волокон с расплавленной матрицей. К ним относят методы
пропитки волокон жидкими матричными сплавами и метод направленной
кристаллизации.
Газопарофазными способами наносят на армирующие волокна барьерные
покрытия, обеспечивающие их защиту от разрушения при взаимодействии с
материалами матрицы. Чаще всего материалом покрытий служат нитриды,
бориды, оксиды и карбиды. Покрытия получают в результате либо разложения
летучих карбонильных соединений металлов, либо испарения металлов и
сплавов при воздействии электронного луча или ионных пучков. Для
повышения производительности используют метод газотермического
плазменного напыления. Прочность связи плазменных покрытий с основой
ниже, чем покрытий, получаемых металлизацией, испарением или
конденсацией в вакууме.
Электролитические методы позволяют получать МКМ в результате
осаждения матричного материала на нитевидные кристаллы и волокна, которые
непрерывно находятся в контакте с катодом.
Page 175
Химические методы позволяют осаждать металлические покрытия на
непроводящие ток упрочнители в виде нитевидных кристаллов (сапфир), а
также на углеродные волокна. Сущность химического метода осаждения
покрытий заключается в восстановлении ионов металлов на поверхности
покрываемого вещества.
Изготавливать детали из композиционного материала целесообразно
непосредственно в процессе производства композиции.
20.1.2. Особенности получения деталей из композиционных порошковых материалов
При получении МКМ методом порошковой металлургии матрица
используется в виде порошка. Армирующими элементами могут служить
нитевидные кристаллы, непрерывные или дискретные волокна, сетки, ткани из
волокон и др.
Преимуществами метода являются возможность использования в качестве
матрицы труднодеформируемых металлов, сплавов и соединений или их
сочетаний, достижение высоких концентраций армирующей фазы, обеспечение
в случае необходимости сочетания армирования с дисперсным упрочнением,
использование оборудования, существенно не отличающегося от обычно
применяемого в порошковой металлургии.
К недостаткам относятся: неравномерность распределения коротких
волокон по объему детали из-за комкования в ходе перемешивания шихты с
волокнами, возможность повреждения хрупких волокон при смешивании,
уплотнении или деформации МКМ, повышенное содержание оксидов и других
примесей из-за развитой поверхности матричных порошков.
20.1.3. Изготовление полуфабрикатов и деталей из эвтектических композиционных материалов (ЭКМ)
ЭКМ называются сплавы эвтектического состава, в которых армирующей
фазой служат ориентированные волокнистые или пластинчатые кристаллы,
образованные в процессе направленной кристаллизации. ЭКМ имеют высокую
прочность, близкую к прочности нитевидных кристаллов, и термически
стабильную структуру. Из ЭКМ можно получать заготовку и готовые детали за
одну операцию при полном отсутствии трудоѐмких процессов изготовления
волокон и их введения в матрицу. Недостатками ЭКМ являются ограниченность
в варьировании объѐмного содержания армирующей фазы, повышенные
требования к чистоте исходных материалов и точности соблюдения режима
направленной кристаллизации, а также небольшие скорости роста кристаллов.
Из методов направленной кристаллизации для получения ЭКМ применимы
лишь те, которые создают плоскую поверхность между жидкостью и
кристаллизующимся телом, т. е. плоский фронт кристаллизации. Наиболее
часто используется метод перемещения расплава в зоне с постоянным
температурным градиентом (метод Бриджмена) и метод зонной плавки. Для
образования направленной эвтектической структуры режим кристаллизации
ЭКМ должен быть таким, чтобы направленная эвтектическая структура не
Page 176
содержала первичных фаз в форме дендритов или ячеек. Для этого требуются
высокие температурные градиенты и низкие скорости кристаллизации.
Форма выделяющейся фазы – волокнистая или пластинчатая – зависит от
еѐ объѐмной доли в ЭКМ и скорости кристаллизации. При объѐмной доле
армирующей фазы меньше 32 % образуется ЭКМ волокнистой структуры, а при
большей еѐ концентрации – пластинчатой. Волокнистое строение
предпочтительней с точки зрения прочности.
В системах (Al – Al3Ni), (Sn – Zn), (Pb – Ag) с уменьшением скорости
направленной кристаллизации структура из волокнистой, переходит в
пластинчатую. В эвтектиках (Ni – W), (Au – Co), (Al – Al4Ca) сплавов, наоборот,
уменьшение скорости направленной кристаллизации приводит к появлению
волокнистой структуры вместо пластинчатой.
20.1.4. Изготовление деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ)
Отличительной особенностью изготовления деталей из ПКМ является
одновременность создания материала и детали. Детали сразу придают заданные
форму и размеры. Технология включает следующие операции:
подготовку армирующего наполнителя;
приготовление связующего;
совмещение наполнителя со связующим;
получение полуфабриката;
сборку и ориентацию слоев армирующего волокнистого наполнителя по
форме детали;
уплотнение, отверждение, термообработку;
механическую обработку заготовки;
контроль качества изделия.
В производстве ПКМ используют как твѐрдые, так и жидкие связующие.
Для улучшения проникновения связующего в нитеволоконное пространство
применяют принудительную пропитку, например, с помощью отжимных
роликов или ультразвук. После совмещения волокнистого наполнителя с
полимерным связующим полученный материал подвергают тепловой
обработке.
При контактном методе формования уплотнение материала
осуществляется с помощью прикатного ролика, отверждение происходит без
давления, а в случае опрессовки – при давлении 0,01–0,2 МПа. Таким методом
можно изготовлять крупногабаритные изделия толщиной до 25 мм (корпуса
лодок, катеров и пр.).
Широко применяется прессовый метод для получения листовых
материалов, сложных и простых заготовок, подвергающихся дальнейшей
механической обработке.
Вакуумный метод (давление 0,095 МПа) применим для изготовления
деталей небольшой толщины.
Page 177
Автоклавный (давление 0,5–7 МПа) и пресскамерный (давление 0,1–0,5
МПа) применяют для изготовления больших серий изделий с высокими
требованиями по физико-механическим свойствам.
Многие изделия из волокнистых ПКМ могут быть изготовлены
несколькими методами. Выбор метода определяется природой полимерного
связующего и армирующих волокон, геометрией изделия, условиями
эксплуатации и другими факторами. Решающим фактором часто является
серийность изделия.
Page 178
ГЛАВА 21. ИЗГОТОВЛЕНИЕ РЕЗИНОВЫХ ДЕТАЛЕЙ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
Резины – это пластмассы с редкосетчатой структурой, в которых
связующим выступает полимер, находящийся в высокопластическом состоянии.
В качестве связующих используются натуральные и синтетические
каучуки, обладающие высокой пластичностью. Чистый каучук, ползущий даже
при комнатной температуре, не может применяться в готовых изделиях. Для
повышения упругих и других физико-механических свойств в каучук вводят
специальные химические вещества – вулканизаторы.
Получаются резины различной твѐрдости – мягкие, средней твѐрдости,
твѐрдые.
Технология приготовления резиновых смесей состоит из ряда операций:
подготовка ингредиентов, смешивание и получение полуфабрикатов требуемой
формы. Подготовка ингредиентов включает нарезание каучука на куски и
пластифицирование путѐм многократного пропускания через нагретые до 40–
50 оС валки. Смешивание проводят в резиносмесителях или на вальцовочных
машинах. Полученная масса подвергается каландрированию на специальных
машинах – каландрах. В результате получается сырая резина в виде листов или
лент определѐнной толщины. Эти листы наматывают на деревянные бобины, на
которых они могут храниться при 5–20 оС до 3–6 месяцев.
Из сырой резины методами прессования и литья под давлением
изготавливают детали требуемой формы и размеров. Прессованием получают
детали из сырой резины в специальных прессформах на гидравлических
прессах как в холодном, так и в горячем состояниях. В последнем случае
вулканизация протекает одновременно с формовкой. Этим способом можно
получить кольца, муфты и другие изделия.
Более прогрессивным методом является литьѐ под давлением, в котором
форма заполняется предварительно разогретой пластичной сырой резиновой
смесью под давлением 30–150 МПа. Прочность резиновых изделий
увеличивают армированием стальной проволокой, сеткой, капроном и другими
материалами.
Завершающей стадией является вулканизация, обеспечивающая
повышение прочности и упругости резины.
Page 179
ГЛАВА 22. ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ РЕЗАНИЕМ
22.1. Кинематические и геометрические параметры процесса резания
Обработка резанием – это процесс получения детали требуемой
геометрической формы, размеров и шероховатости за счѐт механического
срезания с поверхностей заготовки материала технологического припуска в
виде стружки. В зависимости от используемого типа инструмента способы
механической обработки подразделяются на лезвийные и абразивные.
Отличительной особенностью лезвийной обработки является наличие у
обрабатывающего инструмента острой режущей кромки определѐнной
геометрической формы, а для абразивной обработки – наличие различным
образом ориентированных режущих зѐрен абразивного инструмента, каждое из
которых представляет микроклин.
К основным параметрам режима резания относятся скорость главного
движения резания, скорость подачи и глубина резания.
Скорость главного движения резания (скорость резания) определяется
максимальной линейной скоростью главного движения режущей кромки
инструмента (в м/с). При вращательном главном движении:
2
DV ,
где D – максимальный диаметр обрабатываемой поверхности заготовки,
м;
ω – угловая скорость, рад/с.
При строгании и протягивании скорость резания υ определяется скоростью
перемещения инструмента относительно заготовки. Подача инструмента
определяется еѐ скоростью s. Подача на один оборот S0 = s /n (при точении,
сверлении и пр.). При строгании подача определяется на ход резца. Глубина
резания h определяется расстоянием по нормали от обработанной поверхности
заготовки до обрабатываемой (мм). Глубину резания задают на каждый рабочий
ход инструмента. При точении цилиндрических поверхностей глубину резания
определяют как полуразность диаметров до и после обработки:
2dDh заг ,
где Dзаг – диаметр заготовки;
d – диаметр обработанной поверхности заготовки, мм.
Величины скорости резания, подачи и глубины резания определяют
производительность и качество обрабатываемой поверхности. Геометрические
параметры режущего инструмента определяются углами. Рассмотрим их на
примере резца. На рис. 80 изображены координатные плоскости при точении и
углы резца в статике:
главный передний угол γ – угол между передней поверхностью лезвия и
плоскостью, перпендикулярной к плоскости резания;
главный задний угол α – угол между задней поверхностью лезвия и
плоскостью резания;
угол заострения β – угол между передней и задней поверхностями:
Page 180
2.
угол наклона режущей кромки – угол в плоскости резания между
режущей кромкой и основной плоскостью.
Рис. 80. Геометрические параметры токарного резца:
а) координатные плоскости; б) углы резца в статике;
1 – плоскость резания Рn; 2 – рабочая плоскость Рs; 3 – главная секущая
плоскость Рη; 4 – основная плоскость Рv
Углы в плане:
главный угол в плане – угол в основной плоскости между следом
плоскости резания и направлением продольной подачи;
вспомогательный угол в плане θ′ – угол в основной плоскости между
вспомогательной режущей кромкой и обработанной поверхностью.
С увеличением угла γ инструмент легче врезается в материал, снижаются
силы резания, улучшается качество поверхности, но повышается износ
инструмента. Угол α обеспечивает снижение трения инструмента о поверхность
резания, уменьшая его износ, однако чрезмерное его увеличение приводит к
ослаблению режущей кромки инструмента.
Силы резания представляют собой силы, действующие на режущий
инструмент
в процессе упругопластической деформации и разрушения срезаемой стружки.
Их приводят к вершине лезвия или к точке режущей кромки и раскладывают по
прямоугольным координатным осям. Расчѐт усилия резания производят по
эмпирическим формулам. Мощность процесса резания (кг м/с определяется
(упрощѐнно) произведением:
N = PV,
где P – усилие резания, кг;
V – скорость резания, м/с.
а) б)
Page 181
Производительность обработки при резании определяется числом деталей,
изготовляемых в единицу времени:
Q = 1/Tшт.
Время изготовления одной детали Тшт:
Тшт = То + Тин + Твсп,
где То – машинное время обработки резанием;
Тин – время подвода и отвода инструмента;
Твсп – вспомогательное время установки и настройки.
Производительность обработки определяется машинным временем То. При
токарной обработке:
То = La / (nSoh),
где L – расчѐтная длина хода резца, мм;
а – припуск на обработку, мм;
а/h – характеризует требуемое число проходов инструмента при обработке
с глубиной резания hо.
Поэтому наибольшая производительность будет при обработке с глубиной
резания h = a, наибольшей подачей Sо и максимальной скоростью резания.
Однако при увеличении производительности снижается качество поверхности и
повышается износ инструмента.
22.2. Физико-химические основы резания
Современная теория резания рассматривает процессы стружкообразования,
контактных взаимодействий и формирования поверхности детали как единый
процесс разрушения и деформирования.
Процессу стружкообразования присущи высокие значения действующих
напряжений и их неоднородное распределение в деформируемой зоне; высокая
скорость деформации, упрочнение металла и его разупрочнение в результате
сильного тепловыделения в зоне обработки. При силовом воздействии
режущего клина на поверхности контакта с инструментом в обрабатываемом
материале возникают сжимающие напряжения. Наибольшее силовое давление
со стороны инструмента металл испытывает в направлении скорости резания,
меньшую – в глубину заготовки.
В пластически деформируемой зоне условно выделяют область
опережающего упрочнения обрабатываемого материала впереди режущего
клина и область упрочнения ниже плоскости резания. С увеличением
пластичности металла и усилия резания размеры пластически деформируемой
зоны при обработке растут. При обработке легированных малопластичных
материалов размеры зоны деформации при обработке сокращаются, а усилие
резания растѐт.
Вид разрушения металла и тип образующейся стружки зависят от
пластичности обрабатываемого металла, скорости и температуры резания. При
обработке вязких пластичных материалов происходит обтекание металлом
режущего клина и формируется сливная стружка с гладкой прирезцовой
стороной. При резании материалов, имеющих хрупкое разрушение, происходит
Page 182
вырывание отдельных частиц. Элементы стружки имеют неправильную форму
(стружка надлома).
Разрушение материала и отделение стружки происходят в зоне
наибольшего предварительного упрочнения и максимальной деформации
металла – у вершины режущего лезвия. Контактное взаимодействие
обрабатываемого металла с инструментом при обработке резанием возникает
сразу после разрушения металла у вершины режущего лезвия. В контактной
области происходит вторичное деформирование металла путѐм смятия режущей
кромкой; интенсивное трение в условиях высокого давления (до 2 000 МПа);
локальный нагрев до 1 000 оС, как следствие трения. В результате между
относительно перемещающимися поверхностями формируются адгезионные
связи и происходит прилипание металла к инструменту.
Образование нароста обеспечивается, если силы адгезии превышают силы
сдвига. Нарост начинает расти по высоте и упрочняется. При высоких
скоростях обработки резко возрастает температура в зоне контакта, что ведѐт к
сдвигу нароста и уносу его стружкой. Далее процесс повторяется. Частота
срывов зависит от скорости резания. При снижении скорости резания нарост
существует постоянно. Нарост представляет собой деформированный металл
высокой твѐрдости. Нарост снижает силу резания, предохраняет инструмент от
износа, однако увеличивает шероховатость обработанной поверхности и
уменьшает точность формы детали. Представляют большой практический
интерес явления, происходящие при формировании поверхностного слоя детали
ниже плоскости резания.
В результате контакта с инструментом, силового и теплового воздействия в
поверхностном слое возможно формирование наклѐпа, значительных
остаточных напряжений растяжения, структуры, отличной от структуры
обрабатываемого металла. Однако современная технология обработки резанием
позволяет свести к минимуму указанные явления. Путями достижения этой
цели служат: регулирование параметров, способствующих снижению сил
резания, а также многооперационная обработка деталей с применением
смазочно-охлаждающих сред, позволяющая повысить стойкость режущего
инструмента, увеличить точность и снизить шероховатость.
22.3. Обработка лезвийным и абразивным инструментами
Лезвийный инструмент состоит из рабочей части, включающей режущие
лезвия, образующие их поверхности, режущие кромки и крепѐжной части,
предназначенной для установки и закрепления в рабочих органах станка.
Основными способами лезвийной обработки являются точение, сверление,
фрезерование, строгание и протягивание.
В основу классификации способов механической обработки заложен вид
используемого инструмента и кинематика движений. Так, в качестве
инструмента при точении используют токарные резцы, при сверлении – свѐрла,
при фрезеровании – фрезы, при строгании – строгальные резцы, при
протягивании – протяжки. Любой способ обработки включает два движения:
главное – движение резания Dr, и вспомогательное – движение подачи Ds.
Page 183
Главное движение обеспечивает съѐм материала, а вспомогательное – подачу в
зону обработки следующего необработанного участка заготовки. Эти движения
осуществляются за счѐт перемещения заготовки или инструмента.
К абразивной обработке относятся процессы шлифования, хонингования и
суперфиниша. В качестве инструмента при шлифовании используют
шлифовальные круги, при хонинговании – хоны, а при суперфинише –
абразивные бруски. Шлифование применяют как для черновой, так и для
чистовой обработки. Главным движением является вращение абразивного круга
с весьма большой скоростью. В зависимости от вида обрабатываемых
поверхностей различают: наружное круглое, внутреннее круглое, плоское и
шлифование фасонных поверхностей.
При изготовлении высокоточных изделий применяют отделочные методы
обработки: полирование, притирку, хонингование, суперфиниширование.
Полированием уменьшают высоту микронеровностей после шлифования и
получают зеркальные поверхности. Обработка производится абразивными
пастами, нанесѐнными на быстро вращающиеся эластичные круги.
Волнистость, отклонение от плоскости, цилиндричности устраняют притиркой
(доводкой). Процесс осуществляют с помощью очень точно изготовленных
притиров, на которые наносят притирочные пасты.
Хонингование применяют для получения отверстий высокой точности,
малой шероховатости и высокой степени цилиндричности. Обработка
производится мелкозернистыми абразивными брусками, установленными в
хонинговальной головке. В отличие от внутреннего шлифования при
хонинговании отсутствует упругий отжим инструмента, что определяет
значительное улучшение качества обработки.
Суперфиниширование является окончательным методом тонкой обработки,
в процессе которого получается особо гладкая поверхность.
Суперфиниширование осуществляется с помощью мелкоабразивных брусков,
установленных в специальной головке. Процесс резания осуществляется при
постоянном давлении брусков в присутствии смазки малой вязкости.
Суперфинишированием значительно уменьшается величина шероховатости
поверхности, но не устраняются погрешности формы, получаемые в процессе
предыдущей обработки.
22.4. Условие непрерывности и самозатачиваемости
Правильный выбор твѐрдости круга оказывает существенное влияние на
процесс шлифования и, прежде всего, на процесс самозатачиваемости круга.
Самозатачиваемость – это выкрашивание из круга затупленных зѐрен и
обнажение новых зѐрен с острыми гранями. Если для шлифования данного
материала выбран слишком твѐрдый круг, то зѐрна не будут выкрашиваться и,
следовательно, самозатачивание не произойдѐт, что приведет к засаливанию
круга и ожогу шлифуемой поверхности. Из слишком мягкого круга зѐрна могут
осыпаться, и он потеряет свою форму.
Обычно для шлифования мягких материалов выбирают твѐрдые круги, и
наоборот. При засаливании круга с целью восстановления его режущей
Page 184
способности и исправления геометрический формы применяют правку
шарошками, твѐрдосплавными роликами, абразивными дисками и
техническими алмазами. Объѐмное соотношение абразивных зѐрен, связки и
пор характеризует структуру круга. Структуру круга обозначают номерами от 1
до 13. С увеличением структуры на один номер объѐм зѐрен в круге
уменьшается на 2 %, а объѐм связки увеличивается на 2 % при постоянном
общем объѐме пор, но изменении их величины. Круги с мелкими порами
(структуры № 1–4 ) называют закрытыми или плотными и применяют при
круглом шлифовании твѐрдых и хрупких материалов.
Структуры № 5–8 называют средними и применяют для наружного
круглого и плоского шлифования мягких сплавов. Круги № 9–13 называют
открытыми и применяют для скоростного шлифования. Вышеуказанные
соображения обеспечивают так называемое условие непрерывности и
самозатачиваемости.
Page 185
ГЛАВА 23. ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ
Электрофизические способы обработки включают: электроэрозионный,
ультразвуковой абразивный и лучевой. Электроэрозионная обработка основана
на использовании явления электрической эрозии – разрушении материала
электродов при электрическом пробое межэлектродного промежутка.
Профилированный электрод-инструмент задает конфигурацию обрабатываемой
поверхности детали. Материал его должен обладать высокой эрозионной
стойкостью, прочностью, малым электросопротивлением и высокой
обрабатываемостью резанием.
В качестве материала для электродов при обработке высокоуглеродистых
инструментальных сталей и жаропрочных сплавов на никелевой основе
выбирают графит, медь и композиционный материал МНБ-3 (97 % Cu и 3 %
нитрида бора). В качестве рабочих жидкостей используют керосин,
трансформаторное масло или воду. Производительность процесса Q
оценивается скоростью съѐма материала заготовки.
Ультразвуковая абразивная обработка (УЗАО) заключается в изменении
размеров, формы, шероховатости и свойств поверхности обрабатываемых
заготовок за счѐт съѐма материала припуска хрупким скалыванием
микрообъѐмов при импульсном ударном силовом воздействии частиц
свободного абразива с ультразвуковой частотой 16–30 кГц. Ультразвуковая
обработка эффективна, когда материал заготовки плохо обрабатывается другими
методами. К таким материалам относятся: стекло, кварц, керамика, ситалл,
алмаз, полупроводники и др. При обработке используется энергия
ультразвуковых колебаний (рис. 81).
Обрабатываемую заготовку 1
помещают в ванну под инструмент 2. В
зону обработки поливом или под
давлением подают абразивную
суспензию 3, состоящую из абразивного
материала и воды. Колеблющийся торец
инструмента, ударяя по абразивным
зернам, передаѐт им энергию колебаний.
Изменяя форму инструмента и вид
подачи, можно осуществлять различные
операции.
По кинематике процессы
ультразвуковой обработки аналогичны
электроэрозионной обработке и делятся
на три группы: 1) получение поверхности
копированием формы инструмента; 2)
формирование поверхности взаимным
Рис. 81. Условная схема процесса УЗАО:
1 – заготовка; 2 – ультразвуковой
инструмент; 3 – абразивная суспензия;
Aк– амплитуда колебания торца
инструмента; Ds – подача; Fст – усилие
прижима абразивных зѐрен к
обрабатываемой поверхности детали
Page 186
перемещением заготовки и непрофильного инструмента; 3) получение
поверхности путѐм взаимного перемещения профильного инструмента и
заготовки.
Абразивная суспензия является фактическим инструментом, включает по
массе 20–40 % абразивного материала: эльбор (BN), алмазные порошки (С),
карбид бора (В4С) и др. Точность и шероховатость получаемых поверхностей
примерно соответствует шлифованию. Производительность процесса можно
оценить средним съѐмом материала заготовки – Qν (мм3/мин):
t
SlQ о ,
где l – глубина обработки, мм;
So – площадь обработки, мм2;
t – время, мин.
Примерами технологических операций ультразвуковой обработки могут
быть: ультразвуковая вырезка, прошивка-шлифование и удаление заусенцев.
К лучевым методам относятся электронно-лучевая и светолучевая
обработки. При электронно-лучевой обработке используют кинетическую
энергию сфокусированного пучка электронов в вакууме (остаточное давление
5 10-2
–10-3
Па). Формирование, фокусировка и управление электронным лучом
осуществляется в электронной пушке. Разрушение обрабатываемого материала
происходит в результате его взрывного вскипания с выносом материала из зоны
обработки в виде паров и капель. В итоге на бомбардируемом электронным
лучом участке поверхности формируется лунка. Размер лунки, температура
нагрева и доля жидкого металла на стенках регулируются мощностью и
длительностью импульса, а также диаметром луча.
Основные операции обработки – сверление глухих и сквозных отверстий,
фрезерование пазов, контурная резка листового материала. Глубина
микроотверстий при оптимальном положении фокуса и длительности
единичных импульсов, обеспечивающих максимальную производительность
обработки, выражается эмпирической зависимостью:
H = 4,4 10-13
· U 6,02
·J 1,2
·n 0,6
,
где H – глубина отверстия, мм;
U – ускоряющее напряжение, В;
J – сила тока луча, А;
n – число единичных импульсов.
Электронным лучом обрабатывают как электропроводные, так и
неэлектропроводные материалы, в первую очередь труднообрабатываемые
(алмаз, вольфрам, титан, рубин и др.). Метод обеспечивает высокую точность и
малую шероховатость обрабатываемых поверхностей. К его недостаткам можно
отнести необходимость использования вакуума, ограниченный круг
выполняемых операций и высокую стоимость оборудования.
Светолучевая (лазерная) обработка используется для съѐма материала
сфокусированным потоком электромагнитной энергии высокой мощности –
оптическим квантовым генератором. Метод во многих случаях заменяет
электронно-лучевую обработку и является более удобным, так как не требует
Page 187
специальных вакуумных камер. Можно обрабатывать любые материалы
независимо от их твѐрдости и вязкости. Однако обрабатываемая поверхность
требует специальной подготовки вследствие низкого КПД.
Электрохимическая обработка (ЭХО) заключается в получении деталей
требуемой геометрической формы, размеров и качества поверхностей путѐм
снятия с поверхностей заготовок слоя припуска электрохимическим
растворением. Способ позволяет обрабатывать только электропроводные
материалы. Производительность способа не зависит от твѐрдости и прочности
обрабатываемого материала. Можно обрабатывать поверхности любой формы, в
обработанной поверхности отсутствуют остаточные напряжения и наклѐп.
Недостатком метода является ограниченная область применения. В частности,
он применим только для материалов, которые не образуют труднорастворимых
плѐнок.
Схема процесса на примере обработки заготовки из железа в электролите –
водном растворе хлорида натрия приведена на рис. 82.
Рис. 82. Условная схема ЭХО:
1 – электрод-инструмент; 2 – электролит; 3 – источник питания
постоянного (периодического) тока; 4 – обрабатываемая заготовка (анод); 5 –
шлам;
МЭП – межэлектродный промежуток; 1 2, – зазоры МЭП; max min,Z Z –
соответственно максимальное и минимальное значения припуска на обработку; U –
скорость прокачки электролита через МЭП
Кинематика операций во многом сходна с электроэрозионной обработкой.
Основным электрохимическим процессом является растворение анода,
происходящее с линейной скоростью:
Vл = КνКэф · η · (U − Δθ)/δ,
где Kν – электрохимический эквивалент растворяемого вещества;
Kэф – эффективная удельная электропроводность электролита,
η – коэффициент потерь на нагрев электролита;
U – напряжение, приложенное к электродам;
Page 188
Δθ – сумма электродных потенциалов поляризации электродов;
δ – межэлектродный зазор.
Примерами технологических операций электрохимической обработки
являются: заготовительные операции для резки заготовок из
труднообрабатываемых сплавов без заусенцев; формообразующие операции
методами копирования, электрохимического точения и прошивания;
электрохимическое калибрование; отделочные операции и электрохимическое
полирование.
Комбинированные методы размерной обработки. Комбинированными
называют методы, совмещающие одновременно в одном процессе обработки
несколько традиционных методов, рассмотренных выше. При этом повышается
производительность, точность и экономичность.
В настоящее время промышленностью освоены ультразвуковая
механическая, плазменно-механическая обработки и электрохимическое
шлифование.
Ультразвуковая обработка включает операции точения, фрезерования,
строгания, протягивания, сверления, зенкерования и нарезания резьб.
Ультразвуковые колебания прикладываются к инструменту в основном
направлении подачи. Они могут быть продольными, крутильными и изгибными.
Механизм воздействия ультразвука заключается в снижении сопротивления
обрабатываемого материала пластической деформации в зоне
стружкообразования и снижении трения в контактных зонах. Наиболее
эффективно применение метода для нарезания резьб. Для ультразвуковой
обработки применяют стандартные станки, оснащѐнные сменными
ультразвуковыми головками.
Плазменно-механическая обработка включает локальный нагрев
срезаемого слоя плазменной струѐй и последующий съѐм этого слоя режущим
инструментом. Удаляемый при резании металл нагревают плазменным
электрическим разрядом на расстоянии, исключающем разогрев режущего
инструмента. Нагрев при черновом точении увеличивает производительность в
4–8 раз. Чистовая обработка проводится на тех же станках, но уже без
плазменного нагрева. Используются стандартные станки, оснащѐнные
плазменной установкой мощностью 150 кВА, с рабочим током 200–500 А,
напряжением 100–270 В. В качестве плазмообразующего газа используют
воздух.
Наконец, электрохимическое шлифование выполняют токопроводящим
алмазным или абразивным кругами на металлической связке, являющимся
катодом в электролите. По сравнению с традиционным шлифованием
исключаются сколы и трещины в металле при обработке хрупких сплавов,
исключаются прижоги при обработке вязких сталей, резко повышается
производительность труда.
Часто выбор способа обработки материала определяется его
обрабатываемостью. Оценку обрабатываемости материала производят путѐм
сравнения с обрабатываемостью стали 45, значение которой принимается за
единицу. К легкообрабатываемым материалам относят латуни, бронзы,
Page 189
дуралюмины и чугуны. Обрабатываемостью ниже средней обладают
высоколегированные стали аустенитного класса, мартенситного, аустенитно-
мартенситного классов, жаростойкие, кислотостойкие стали, композитные
материалы, никелевые и твѐрдые сплавы, керамические материалы и минералы.
Обрабатываемость конструкционных материалов зависит от их механических
свойств и ухудшается с увеличением в сплаве упрочняющих фаз,
неметаллических включений, измельчением структуры, увеличением вязкости.
Повышение обрабатываемости достигается предварительной термической
обработкой заготовок, применением инструментов из твѐрдых сплавов,
использованием смазочно-охлаждающих жидкостей, оптимизацией режимов
резания и т. д. Такие труднообрабатываемые материалы, как жаропрочная сталь
или тугоплавкие сплавы, требуют применения физико-химических методов
обработки.
В конечном счѐте выбор способа обработки определяется техническими
требованиями к изделию и затратами на изготовление. Так называемые
приведѐнные годовые затраты (включающие капитальные и эксплуатационные
расходы) в предпочтительном варианте должны быть минимальны.
Page 190
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бочвар, А.А. Металловедение: учебник для металлург. и технолог.
специальностей вузов / А.А. Бочвар. – М.: Металлургиздат,1956. – 496 с.
2. Лахтин, Ю.М. Материаловедение: учебник для высш. техн. заведений /
Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.
3. Гуляев А.П. Металловедение: учебник для втузов. – М.: Металлургия,
1986. – 544 с.
4. Материаловедение: учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений
/ Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.В. Косолапов и др. – М.: Машиностроение,
1986. – 384 с.
5. Материаловедение и технология конструкционных материалов:
учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений / Ю.П. Солнцев, В.А.
Веселов, В.П. Демянцевич и др. – М.: МИСИС, 1996. – 576 с.
6. Материаловедение и технология металлов: учебник для студентов
высш. учеб. заведений, обучающихся по машиностр. специальностям / Г.П.
Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высш. шк., 2001. – 640 с.
7. Материаловедение: учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова,
Г.Г. Мухин и др. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.
8. Материаловедение и технология материалов: учебник для металлург. и
немашиностроит. специальностей вузов / В.Т. Жадан, П.И. Полухин, А.Ф.
Нестеров и др. – М.: Металлургия, 1994. – 623 с.
9. Геллер, Ю.А. Материаловедение: учеб. пособие для вузов / Ю.А. Геллер,
А.Г. Рахштадт. – М.: Металлургия, 1989. – 456 с.
10. Жуков, А.П. Основы металловедения и теории коррозии: учебник для
сред. спец. учеб. заведений по машиностр. специальностям / А.П. Жуков, А.И.
Малахов. – М.: Высш. шк., 1991. – 168 с.
11. Лахтин, Ю.М. Основы металловедения: учебник по металлург.
специальностям для сред. спец. учеб. заведений / Ю.М. Лахтин. – М.:
Металлургия, 1988. – 320 с.
12. Бутыгин, В.Б. Металловедение: учеб. пособие / В.Б. Бутыгин; Алт. гос.
техн. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: АлтГТУ, 1998. – 172 с.
13. Петров, Д.А. Двойные и тройные системы / Д.А. Петров. – М.:
Металлургия, 1986. – 256 с.
14. Энциклопедия неорганических материалов. Т. 1. – Киев: Гл. ред.
Украинской Советской Энциклопедии, 1977. – 840 с.
15. Энциклопедия неорганических материалов. Т. 2. – Киев: Гл. ред.
Украинской Советской Энциклопедии, 1977. – 816 с.
16. Физика твердого тела. Энциклопедический словарь. Т. 1. – Киев:
Наукова Думка, 1996. – 652 с.
17. Физика твердого тела. Энциклопедический словарь. Т. 2. – Киев:
Наукова Думка, 1998. – 646 с.
18. Тимошенко, С.П. Механика материалов: учебник для вузов / СП.
Тимошенко, Дж. Гере. – СПб.: Лань, 2002. – 672 с.
Page 191
19. Марочник сталей и сплавов / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В.
Каширский и др.; под общ. ред. А.С. Зубченко. – М.: Машиностроение, 2003. –
784 с.
20. Неронов, В.А. Бориды алюминия / В.А. Неронов. – Новосибирск:
Наука, Сиб. отд-ние, 1966. – 72 с.
21. Самсонов, Г.В. Магниды / Г.В. Самсонов, В.П. Перминов. – Киев:
Наукова Думка, 1971. – 343 с.
22. Самсонов, Г.В. Магниетермия / Г.В. Самсонов, В.П. Перминов. – М.:
Металлургия, 1971. – 174 с.
23. Самсонов, Г.В. Бориды / Г.В. Самсонов, Т.И. Серебрякова, В.А.
Неронов. – М.: Атомиздат, 1975. – 376 с.
24. Бориды алюминия / П.С. Кислый, В.А. Неронов, Т.А. Прихна, Ю.В.
Бевза. – Киев: Наукова Думка, 1990. – 192 с.
25. Серебрякова, Т.И. Высокотемпературные бориды / Т.И. Серебрякова,
В.А. Неронов, П.Д. Пешев. – М.: Металлургия, Челяб. отд-ние, 1991. – 368 с.
26. Рид, В.Т. Дислокации в кристаллах./ В.Т. Рид; пер. с англ.; под ред. И.А.
Одинга. – М.: Металлургиздат, 1957. – 279 с.
27. Коттрелл, А.Х. Дислокации и пластическое течение в кристаллах / А.Х.
Коттрелл; пер. с англ. под ред. А.Г. Рахштадта. – М.: Металлургиздат, 1958. –
268 с.
28. Д.К. Чернов и наука о металлах / под ред. акад. Н.Т. Гудцова. – Л.; М.:
Металлургиздат, 1950. – 563 с.
29. Генерал от металлургии Павел Аносов / под ред. проф. М.Е.
Главацкого. – Екатеринбург: Изд-во УРГУ, 1999. – 304 с.
30. Белов, А.Ф. Металл: улучшение качества – путь к экономии / А.Ф.
Белов // Наука и жизнь. – 1982. – № 2. – С. 2–9.
31. Батаев, А.А. Композиционные материалы: строение, получение,
применение: учебник / А.А. Батаев, В.А. Батаев. – Новосибирск: НГТУ, 2002. –
384 с.
32. Новые материалы / под ред. Ю.С. Карабасова. – М.: МИСИС, 2002. –
736 с.
33. Композиционные материалы в технике / Д.М. Карпинос, Л.И. Тучинский,
А.Б. Сапожникова и др. – Киев: Техника, 1985. – 152 с.
