Деформация и разрушение металлов

Упругая и пластическая деформация в своей основе принципиально отличаются друг от друга. При упругой деформации происходит обратимое смещение атомов из положения равновесия в кристаллической решетке. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла. После снятия нагрузки атомы под действием сил притяжения (при растяжении) или отталкивания (при сжатии) возвращаются в исходной положение и кристаллы приобретают первоначальную форму и размеры. Упругие свойства определяются силами межатомного взаимодействия.

Механизм пластической деформации на примере монокристалла. Пластическая деформация в монокристалле осуществляется путем сдвига одной его части относительно другой. Сдвиг вызывают касательные напряжения, когда их значение превышает критическое t_кр.

Имеется две разновидности сдвига: скольжение и двойникование. Скольжение - смещение одной части кристалла параллельно другой вдоль плоскости скольжения или сдвига. Двойникование - перестройка части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к его недеформированной части (плоскость двойникования). Основное - скольжение.

Деформация скольжением развивается по плоскостям и направлениям, на которых плотность упаковки максимальна: - ГЦК (медь, алюминий, никель) скольжение по плоскости (111), в направлении [110]; - ОЦК по плоскости (110), в направлении [111]; - ГПУ (магний, цинк) - по плоскостям базиса (менее пластичны по сравнению с ГЦК и ОЦК).

Пластическая деформация в поликристаллических материалах осуществляется путем последовательного перемещения дислокаций от одной атомной плоскости к другой, до тех пор, пока не выйдет на поверхность. В процессе скольжения возникают новые дислокации и их плотность повышается от 10⁸ до 10¹² см^-2 (больше - трещины). В основе упрочнения металла при деформировании лежит, прежде всего, повышение плотности дислокаций. Движению дислокаций мешают границы зерен, создавая скопления дислокаций, при определенной плотности - трещины. При нагреве выше 0,3Т_пл начинает действовать механизм перемещения дислокаций - переползание, представляющее диффузионное смещение дислокаций в соседние плоскости решетки в результате присоединения вакансий.

При деформировании поликристаллов отсутствует стадия легкого скольжения, деформация зерен начинается сразу по нескольким системам скольжения и сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. При значительной деформации в металле появляется кристаллографическая ориентация зерен, которая называется текстурой деформации, и делает металл анизотропным.

Наклепанный металл (пластически деформированный) запасает 5 - 10% энергии, затраченной на деформирование, увеличивается плотность дислокаций и упругие искажения решетки. Пластически деформированный металл упрочняется, изменяются его физические свойства: увеличиваются прочностные характеристики, твердость и понижаются пластичность и вязкость. С ростом степени деформации возрастают удельное электрическое сопротивление, коэрцитивная сила, понижаются магнитная проницаемость, остаточная индукция.

Неравновесная структура, созданная деформацией у большинства металлов устойчива при комнатной температуре. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве. Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две стадии: возврат и рекристаллизация. Рост числа дефектов и возникновение внутренних напряжений в результате наклепа приводят к тому, что свободная энергия металла растет, и он приходит в неравновесное состояние. При нагреве происходит снятие искажений кристаллической решетки, уменьшение плотности дислокаций, снижение внутренних напряжений. Однако деформация зерен остается, этот процесс называют возвратом металла. При возврате прочность уменьшается, а пластичность несколько увеличивается. Возврат сопровождается изменением границ зерен. С ростом температуры подвижность атомов растет, и образуются новые зерна вместо ориентированной волокнистой структуры. Образование новых равноосных зерен называется рекристаллизацией. Температура рекристаллизации зависит от температуры плавления металла ( 0,3 – 0,4 для чистых металлов; 0,5 – 0,6 для сплавов). В сплавах примеси взаимодействуют с дислокациями и ограничивают их подвижность, что затрудняет образование зародышей новых зерен и тормозит рекристаллизацию, поэтому температура рекристаллизации сплавов выше. Последующий рост температуры приводит к стадии собирательной рекристаллизации, состоящей в росте новых зерен. Большое количество мелких зерен имеет больший запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая поверхность их границ уменьшается, что способствует переходу металла в более равновесное состояние. Образование крупных зерен снижает механические свойства.

Заключительная стадия деформирования материалов – разрушение. На атомном уровне разрушение представляет собой разрыв межатомных связей. Если разрыв происходит перпендикулярно плоскости разрушения, то происходит разрушение сколом или отрывом. Если разрыв идет под действием силы, приложенной параллельно плоскости разрушения, то разрушение происходит сдвигом или скольжением. Может иметь место тот и другой тип разрушения, что определяется главным образом кристаллической структурой металлов. Кроме того, характер разрушения зависит от температуры, скорости деформации, напряженного состояния, чистоты металла.

В зависимости от степени пластической деформации перед разрушением различают два основных вида разрушений: хрупкое и вязкое. При вязком разрушении металл претерпевает перед разрушением не только упругую, но и значительную пластическую деформацию. При отсутствии пластической деформации или при ее незначительной величине происходит хрупкое разрушение.

Хрупкое разрушение происходит путем отрыва или скола, когда плоскость разрушения перпендикулярна нормальным напряжениям. Под действием нормальных напряжений происходит упругая деформация кристаллической решетки, а после достижения предельной степени ее искажения происходит последовательный разрыв межатомных связей с отрывом одной атомной плоскости от другой. Разрушение начинается от какого-либо дефекта, вблизи которого развивается концентрация напряжений, превосходящая теоретическую прочность металла.

Вязкое разрушение происходит путем сдвига под действием касательных напряжений. Плоскость скольжения расположена под углом 45 к направлению главных нормальных напряжений. Чисто сдвиговое вязкое разрушение характерно для аморфных материалов (глина); чисто хрупкое характерно для идеально упругих материалов (алмаз). Большинству реальных материалов одновременно присуще и вязкое и хрупкое разрушение, а разделение условно проводится по преобладанию того или иного типа. Характерными признаками вязкого и хрупкого разрушения являются энергоемкость – величина работы разрушения (для вязкого разрушения значительно больше); вид трещины (острая трещина для хрупкого и большой угол раскрытия для вязкого) и скорость распространения трещины (для хрупкого высокая 0,4 скорости звука в металле, для стали 2 * 10 3 м / с ; для вязкой значительно ниже и определяется скоростью нарастания напряжений).

Необходимость квалификации характера разрушений обусловлена тем, что меры борьбы с вязким и хрупким разрушением различны. В случае вязкого разрушения необходимо повышать прочность материала. При хрупком разрушении надо, наоборот, увеличивать вязкость и пластичность, при необходимости даже снижая прочность. Наиболее опасно хрупкое разрушение.

Один и тот же материал в зависимости от условий деформации может разрушаться по хрупкому или вязкому механизму, что определяется внешними и внутренними факторами. К внешним факторам относится температура, тип надреза или концентратора напряжений, условия и скорость нагружения форма и размеры детали. К внутренним относится: тип кристаллической решетки, химический состав, структура и размер зерна, зависящие от технологии предварительной обработки. Металлы с ОЦК и некоторые с ГПУ относятся к хладноломким материалам, металлы с ГЦК не склонны к хладноломкости. Измельчение зерна существенно понижает критическую температуру хрупкости. Процесс течения металла зависит от среднего расстояния, на которое перемещаются дислокации, прежде чем они будут заблокированы у границ зерен. У мелкозернистых материалов предел текучести меньше разрушающего напряжения.

6.3.Термическая обработка металлов и сплавов

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. Основные виды термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, и старение, имеются разновидности.

Отжиг - термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной: отжиг вызывает разупрочнение металлов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений. Температура зависит от состава сплава и разновидности отжига. Разновидности:

n отжиг для снятия напряжений, которые могут вызвать деформацию деталей при эксплуатации или коробление. Детали нагревают, выдерживают (до десятков часов) и медленно охлаждают (20 - 200 ⁰С/ч).

n рекристаллизационный отжиг; нагрев до температуры рекристаллизации, выдержка, скорость охлаждения не имеет большого значения. Цель - понижение прочности и восстановление пластичности, получение заданного размера зерна, в некоторых металлах образование текстуры (преимущественной ориентации кристаллов в объеме детали);

n диффузионный отжиг (гомогенизация). В реальных условиях кристаллизация твердых растворов протекает неравновесно ( неоднородность состава по объему кристалла). Отжиг уменьшает ликвационную неоднородность твердого раствора за счет диффузионных процессов.

Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, эвтектоидные реакции и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении. Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения, повышения твердости.

Отпуск и старение - термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной.

Обычно сочетание закалки с отпуском или старением позволяет получить улучшенные свойства по сравнению с отожженным состоянием. Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние сплава при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения почти не влияют на структуру и свойства сплавов. Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение; термин «старение» - применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения, может быть искусственное и естественное.

Принципиальная возможность применения того или иного вида термической обработки может быть определена на основании диаграмм фазового равновесия основных групп сплавов:

n сплавы, не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии;

n сплавы с переменной растворимость в твердом состоянии;

n сплавы с эвтектоидным превращением.

Для сплавов, не имеющих фазовых превращений в твердом состоянии, проводят термическую обработку для снятия остаточных напряжений в отливках, после проката или ковки, в сварных соединениях. Рекристаллизационный отжиг - понижение прочности и восстановление пластичности деформированного металла, получение определенной кристаллографической структуры, создающей анизотропию свойств и получение заданного размера зерна. Ддиффузионный отжиг - длительная выдержка при высоких температурах, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность твердого раствора.

Для сплавов с переменной растворимостью в твердом состоянии - упрочняющая термическая обработка стареющих сплавов (на основе алюминия, меди, железа, никеля, титана). Термическая обработка состоит из двух операций - закалки и старения. При закалке нагрев до температуры, обеспечивающей распад вторичных кристаллов; быстрым охлаждением полностью подавляют процесс выделения вторичных кристаллов и получают однофазный сплав, пересыщенный одним из компонентов твердый раствор. Он представляет собой неравновесную структуру, с повышенным уровнем свободной энергии, поэтому при некотором повышении температуры (искусственное старение) твердый раствор будет распадаться с образованием выделений (зоны Гинье - Престона с резко повышенной концентрацией растворенного компонента, сохраняющей решетку растворителя; кристаллы метастабильной фазы с иной решеткой, чем твердый раствор; стабильной фазы сложной пространственной решетки). Степень упрочнения при старении может быть очень высокой (в дюралюминах временное сопротивление увеличивается в 2 раза, в бериллиевых бронзах в 3 раза). Термическую обработку, приводящую к получению стабильной структуры, называют стабилизацией.

Эвтекдоидное превращение происходит в большинстве сталей, в двухфазных алюминиевых бронзах, во многих сплавах на основе титана. Принципы, лежащие в основе термической обработки для всех сплавов этой группы одинаковы. Для сталей: превращения при нагреве до аустенитного состояния - фазовая перекристаллизация; превращения аустенита при различных степенях переохлаждения; превращения при нагреве закаленных сталей. Основные типы термической обработки сталей:

n отжиг сталей (перекристаллизационный конструкционных сталей; скорость охлаждения 100 - 200 град/час) ;

n нормализация сталей (отличается от отжига в основном условиями охлаждения; после нагрева до температуры на 50 - 70 градусов выше Ас₃ сталь охлаждают на спокойном воздухе);

n закалка сталей - получение структуры наивысшей твердости ( мартенсит : мартенситное превращение состоит в перестройке решетки, при котором атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомных; растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы; когерентные - соприкасаются по такой поверхности раздела, которая является общей для их кристаллических решеток; имеет тетрагональную решетку; высокая твердость НРС 60 при содержании углерода больше 0,4%).

n обработка холодом подвергают закаленные легированные стали, для которых температура конца мартенситного превращения значительно ниже 20 - 25 градусов и остается остаточный аустенит, который понижает твердость закаленной стали; температуры от -40 до 196 (температура жидкого азота); измерительные инструменты, детали подшипников качения, цементированные детали из легированных сталей.

n отпуск закаленных сталей - нагрев до температур А₁, происходит распад мартенсита, выделение части углерода; распад остаточного аустенита и карбидное превращение, образуется ферритно-карбидная смесь.(низкий отпуск 120-150; средний 350-450; высокий 500-680); продолжительность от 2 до 15 часов.

Химико-термическая обработка

Химико-термической обработкой называют технологические процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различными элементами. Применяют для повышения твердости, износостойкости, защиты от коррозии. Различают три стадии процесса химико-термической обработки:

n химические реакции в исходной среде (окружающей), в результате которой образуются активные диффундирующие элементы;

n эти элементы адсорбируются насыщаемой поверхностью, концентрируются в поверхностном слое, возникает градиент концентрации;

n диффузионное проникновение элемента вглубь насыщаемого металла, которое сопровождается образованием твердых растворов или фазовой перекристаллизацией.

Наиболее распространенные в промышленности операции:

n цементация стали - процесс диффузионного насыщения углеродом. Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску , увеличивается твердость на поверхности при вязкой сердцевине (зубчатые колеса, валы, кулачки, распределительные валы). Применяют твердые карбюризаторы (древесный уголь) и газовую среду (метан);

n азотирование стали - процесс насыщения азотом, для повышения износостойкости и предела выносливости (коленчатые валы, гильзы цилиндров, червяки). До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску (улучшению), источник азота - аммиак, длительность процесса до 50 часов при температуре 500 - 600⁰. Для активации применяют ионное азотирование и цементацию в плазме тлеющего разряда, время сокращается в 2 - 3 раза, стальной контейнер - анод, деталь - катод, напряжение до 800В, ионы азота поглощаются поверхностью детали, затем диффузия идет вглубь;

n диффузионное насыщение металлами и неметаллами - жаростойкие покрытия, сопротивление агрессивным средам; алитирование (покрытие алюминием), хромирование и силицирование (насыщение кремнием); подвергают сплавы на железной, никелевой основе.

Черные металлы и сплавы

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (сталь и чугун). Железо в чистом виде в машиностроении не применяется. Сталь многокомпонентный сплав с содержанием углерода до 2,14 %. Чугун – сплав железа с углеродом при содержании углерода более 2,14 %.

Сталь. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые (ГОСТ 380-94, ГОСТ 1050-88) и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79).

В свою очередь углеродистые стали могут быть:

• малоуглеродистыми, содержащими углерода менее 0,25%;
• среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,25…0,60%
• высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода
  превышает 0,60%

Легированные стали подразделяют на:

• низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%
• среднелегированные, в их состав входят от 2,5 до 10% легирующих элементов;
• высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.

Конструкционные стали предназначены для изготовления строительных и машиностроительных изделий.

Инструментальные сталипредназначены для изготовления режущего, измерительного, штампового и прочего инструмента. Эти стали содержат более 0,65% углерода.

Стали с особыми физическими свойствами: с определенными магнитными характеристиками (электротехническая сталь) или с малым коэффициентом линейного расширения (суперинвар).

Стали с особыми химическими свойствами: нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные стали.

Качество стали зависит от содержания вредных примесей: серы и фосфора. Стали обыкновенного качества, содержат до 0.06% серы и до 0,07% фосфора; качественные – до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно; высококачественные – до 0,025% серы и фосфора; особо высококачественные – до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.

По степени удаления кислорода из стали, т. е. по степени её раскисления, существуют:

• спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами "сп" в конце марки (иногда буквы опускаются);
• кипящие стали – слабо раскисленные; маркируются буквами "кп";
• полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".

Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 группы:

• сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора);
• сталь группы Б – по химическому составу;
• сталь группы В – с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

Конструкционные стали.Нелегированные конструкционные стали обыкновенного качества обозначают по ГОСТ 380-94 буквами "Ст" и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер. Буква "Г" после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали. Например:

Ст1кп2 – углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 1, кипящая второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А);

ВСт5Г – углеродистая сталь с повышенным содержанием марганца, спокойная, номер марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В);

Бст0 – углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории.

Содержание углерода в стали:

Нелегированные конструкционные качественные стали. в соответствии с ГОСТ 1050-88 эти стали маркируются двухзначными числами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: 05; 08; 10; 25; 40 и т.д. Так сталь с содержанием углерода 0,07…0,14% обозначается 10, сталь с содержанием углерода 0,42…0,50% – 45 и т.д..

При этом для сталей с содержанием углерода меньше 0,2%, не подвергнутых полному раскислению, в обозначение добавляются буквы кп (для кипящей стали) и пс (для полуспокойной). Для спокойных сталей буквы в конце их наименований не добавляются.
Например, 08кп, 10пс, 15, 18кп, 20 и т.д. Буква Г в марке стали указывает на повышенное содержание марганца.
Например: 14Г, 18Г и т.д.

Качественные стали с повышенными свойствами, используемые для производства котлов и сосудов высокого давления, обозначают по ГОСТ 5520-79 добавлением буквы К в конце наименования стали: 15К, 18К, 22К.

Конструкционные легированные стали. В соответствии с ГОСТ 4543-71 наименования таких сталей состоят из цифр и букв. Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Буквы указывают на основные легирующие элементы, включенные в сталь. Буквенные обозначения легирующих элементов приведены в таблице 3.1.

Таблица.3.1 . Буквенные обозначения легирующих элементов в сталях

Цифры после каждой буквы обозначают примерное процентное содержание соответствующего элемента, округленное до целого числа, при содержании легирующего элемента до 1,5% цифра за соответствующей буквой не указывается.
Например, сталь состава: углерода C 0,09…0,15%, хрома Cr 0,4…0,7%, никеля Ni 0,5...0,8% обозначается 12ХН, а обыкновенного качества с повышенным содержанием легирующих элементов: сталь содержащая углерода C 0,27...0,34%, хрома Cr 2,3...2,7%, молибдена Mo 0,2...0,3%, ванадия V 0,06...0,12%.обозначается 30Х3МФ. Для того, чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы и фосфора (S<0,03%, P < 0,03%) и сталь относится к группе высококачественных в конце ее обозначения ставят букву А.

Особовысококачественные стали, подвергнутые электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов, обозначают добавлением через тире в конце наименования стали буквы Ш.
Например: 12Х2Н4А, 15Х2МА, 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш и др.

Литейные конструкционные стали. В соответствии с ГОСТ 977-88 обозначаются по тем же правилам, что и качественные и легированные стали. Отличие заключается лишь в том, что в конце наименований литейных сталей приводится буква Л.

Например, 15Л, 20Г1ФЛ, 35ХГЛ и др.

Шарикоподшипниковые стали по ГОСТ 801-78 маркируют буквами "ШХ", после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента. Для сталей, подвергнутых электрошлаковому переплаву, буква Ш добавляется также и в конце их наименований через тире.
Например: ШХ15, ШХ20СГ, ШХ4-Ш.

Автоматные стали ГОСТ 1414-75 начинаются с буквы А (автоматная). Если сталь при этом легирована свинцом, то ее наименование начинается с букв АС. Для отражения содержания в сталях остальных элементов используются те же правила, что и для легированных конструкционных сталей.
Например: А20, А40Г, АС14, АС38ХГМ.

Инструментальные стали.Данные стали в соответствии с
ГОСТ 1435-90 делятся на качественные и высококачественные. Качественные стали обозначаются буквой У (углеродистая) и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в стали в десятых долях процента.
Например, сталь У7 содержит 0,65...0,74% углерода, сталь У10...0,95...1,04%, а сталь У13 – 1,2%.в обозначения высококачественных сталей добавляется буква А (У8А, У12А и т.д.). Кроме того, в обозначениях как качественных, так и высококачественных углеродистых инструментальных сталей может присутствовать буква Г, указывающая на повышенное содержание в стали марганца.
Например: У8Г, У8ГА.

Инструментальные легированные стали. Правила обозначения инструментальных легированных сталей по ГОСТ 5950-73 в основном те же, что и для конструкционных легированных. Различие заключается лишь в цифрах, указывающих на массовую долю углерода в стали. Процентное содержание углерода также указывается в начале наименования стали, в десятых долях процента, а не в сотых, как для конструкционных легированных сталей. Если же в инструментальной легированной стали содержание углерода составляет около 1.0%, то соответствующую цифру в начале ее наименования не указывают. Например: сталь 4Х2В5МФ имеет содержание C 0,3...0,4%, Cr 2,2...3,0%, W 4,5...5,5%, Mo 0,6...0,9%,
V 0,6...0,9%, а сталь ХВГ...C 0,9...1,05%, Cr 0,9...1,2%, W 1,2...1,6%,
Mn 0,8...1,1%.

Быстрорежущие стали. Обозначают буквой "Р", следующая за ней цифра указывает на процентное содержание в ней вольфрама. В отличие от легированных сталей в наименованиях быстрорежущих сталей не указывается процентное содержание хрома, т.к. оно составляет около 4% во всех сталях, и углерода (оно пропорционально содержанию ванадия). Буква Ф, показывающая наличие ванадия, указывается только в том случае, если содержание ванадия составляет более 2,5%. В соответствии с вышесказанным сталь Р6М5 имеет состав С 0,82...0,9%, Cr 3,8...4,4%,
Mo 4,8...5,3%, V 1,7...2,1%, W 5,5...6,5%, а сталь состава С 0,95...1,05%,
Cr 3,8...4,3%, Mo 4,8...5,3%, V 2,3...2,7%, N 0,05...0,1%, W 5,7...6,7% называется Р6АМ5Ф3.

Нержавеющие стали. Обозначения стандартных нержавеющих сталей согласно ГОСТ 5632-72 состоят из букв и цифр и строятся по тем же принципам, что и обозначения конструкционных легированных сталей. В обозначения литейных нержавеющих сталей добавляется буква Л.

Например: нержавеющая сталь состава C < 0,08%, Cr 17,0...19,0%, Ni 9,0...11,0%, Ti 0,5...0,7% обозначается 08Х18Н10Т, а литейная сталь 16Х18Н12С4ТЮЛ имеет состав C 0,13...0,19%, Cr 17,0...19,0%, Ni 11,0...13,0%, Si 3,8...4,5%, Ti 0,4...0,7%, Al 0,13...0,35%.

Чугун

Чугуном называют сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащими углерода более 2,14 %.

Классификация чугунов. Характерной особенностью чугунов является то, что углерод в сплаве может находиться не только в растворенном и связанном состоянии (в виде химического соединения – цементита Fe₃C), но также в свободном состоянии – в виде графита. При этом форма выделений графита и структура металлической основы (матрицы) определяют основные типы чугунов и их свойства.

Классификация чугуна с различной формой графита производится по ГОСТ 3443–77. по следующим признакам:

• по состоянию углерода – свободный или связанный;
• по форме включений графита – пластинчатый, вермикулярный, шаровидный, хлопьевидный;
• по типу структуры металлической основы (матрицы) – ферритный, перлитный; имеются также чугуны со смешанной структурой: например, феррито-перлитные;
• по химическому составу – не легированные чугуны (общего назначения) и легированные чугуны (специального назначения).

В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:

− белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита ;

− половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде цементита;

− серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита;

− отбеленный чугун, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой – белого;

− высокопрочный чугун, в котором графит имеет шаровидную форму;

− ковкий чугун, получающийся из белого путем отжига, при котором углерод переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита.

Серый чугун – это сплав системы Fe-C-Si, содержащий в качестве примесей марганец, фосфор, серу. Углерод в серых чугунах преимущественно находится в виде графита пластинчатой формы.

Структура отливок определяется химическим составом чугуна и технологическими особенностями его термообработки. Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической матрицы, формы и размеров графитовых включений. Свойства металлической матрицы чугунов близки к свойствам стали. Графит, имеющий невысокую прочность, снижает прочность чугуна.

Чем меньше графитовых включений и выше их дисперсность, тем больше прочность чугуна.

Графитовые включения вызывают уменьшение предела прочности чугуна при растяжении. На прочность при сжатии и твердость чугуна частицы графита практически не оказывают влияния. Свойство графита образовывать смазочные пленки обусловливает снижение коэффициента трения и увеличение износостойкости изделий из серого чугуна. Графит улучшает обрабатываемость резанием.

Согласно ГОСТ 1412-85 серый чугун маркируют буквами «С» – серый и «Ч» – чугун. Число после буквенного обозначения показывает среднее значение предела прочности чугуна при растяжении.
Например, СЧ 20 – чугун серый, предел прочности при растяжении 200 МПа.

По свойствам серые чугуны можно условно распределить на следующие группы:

• ферритные и ферритно-перлитные чугуны (марки СЧ10, СЧ15), применяют для изготовления малоответственных ненагруженных деталей машин;
• перлитные чугуны (марки СЧ20, СЧ25, СЧ30), используют для изготовления износостойких деталей, эксплуатируемых при больших нагрузках: поршней, цилиндров, блоков двигателей;
• модифицированные чугуны (марки СЧ35, СЧ40, СЧ45), получают добавлением перед разливкой в жидкий серый чугун присадок ферросилиция. Такие чугуны имеют перлитную металлическую матрицу с небольшим количеством изолированных пластинок графита.

Чугун с вермикулярным графитом отличается от серого чугуна более высокой прочностью, повышенной теплопроводностью. Этот материал перспективен для изготовления ответственных отливок, работающих в условиях повышенных температур (блоки двигателей, поршневые кольца).

Вермикулярный графит получают путем обработки расплава серого чугуна лигатурами, содержащими редкоземельные металлы и силикобарий.

Модифицирование серого чугуна магнием, а затем ферросилицием позволяет получать магниевый чугун (СМЧ), обладающий прочностью литой стали и высокими литейными свойствами серого чугуна. Из него изготовляют детали, подвергаемые ударам, воздействию переменных напряжений и интенсивному износу, например, коленчатые валы легковых автомобилей.

Высокопрочный чугун. Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются его высокие механические свойства, обусловленные наличием в структуре шаровидного графита. Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокой прочностью, но и пластичностью.

Получение шаровидного графита в чугуне достигается модифицированием расплава присадками, содержащими Mg, Ca, Се и другие редкоземельные металлы.

Химический состав и свойства высокопрочных чугунов регламентируются ГОСТ 7293-85 и маркируются буквами «В» – высокопрочный, «Ч» – чугун и числом, обозначающим среднее значение предела прочности чугуна при растяжении.
Например, ВЧ100 – высокопрочный чугун, предел прочности при растяжении 1000 МПа.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом является наиболее перспективным литейным сплавом, с помощью которого можно успешно решать проблему снижения массы конструкции при сохранении их высокой надежности и долговечности. Высокопрочный чугун используют для изготовления ответственных деталей в автомобилестроении (коленчатые валы, зубчатые колеса, цилиндры и др.).

Белый и ковкий чугун. Белые чугуны характеризуются тем, что у них весь углерод находится в химически связанном состоянии – в виде цементита. Излом такого чугуна имеет матово-белый цвет. Наличие большого количества цементита придает белому чугуну высокие твердость, хрупкость и очень плохую обрабатываемость режущим инструментом. Высокая твердость белого чугуна обеспечивает его высокую износостойкость, в том числе и при воздействии абразивных сред. Это свойство белых чугунов учитывается при изготовлении поршневых колец. Однако белый чугун применяют главным образом для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун. Ковкий чугун получают путем отжига белого чугуна определенного химического состава, отличающегося пониженным содержанием графитизируюших элементов (2,4…2,9 % С и 1,0…1,6 % Si), так как в литом состоянии необходимо получить полностью отбеленный чугун по всему сечению отливки, что обеспечивает формирование хлопьевидного графита в процессе отжига.

Механические свойства и рекомендуемый химический состав ковкого чугуна регламентирует ГОСТ 1215-79. Ковкие чугуны, маркируют буквами «К» – ковкий, «Ч» – чугун и цифрами. Первая группа цифр показывает предел прочности чугуна при растяжении, вторая – относительное его удлинение при разрыве. Например, КЧ33-8 означает: ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 330 МПа и относительным удлинением при разрыве 8 %.

Ковкий чугун используют для изготовления мелких и средних тонкостенных отливок ответственного назначения, работающих в условиях динамических знакопеременных нагрузок (детали приводных механизмов, коробок передач, тормозных колодок, шестерен, ступиц и т. п.). Однако ковкий чугун – малоперспективный материал из-за сложной технологии получения и длительности производственного цикла изготовления деталей из него.

Легированные чугуны. В зависимости от назначения различают износостойкие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионно-стойкие легированные чугуны.

Химический состав, механические свойства при нормальных температурах и рекомендуемые виды термической обработки легированных чугунов регламентируются ГОСТ 7769-82. В обозначении марок легированных чугунов буквы и цифры, соответствующие содержанию легирующих элементов, те же, что и в марках стали.

Износоcтойкие чугуны, легированные никелем (до 5 %) и хромом
(0,8 %), применяют для изготовления деталей, работающих в абразивных средах. Чугуны (до 0,6 % Сr и 2,5 % Ni) с добавлением титана, меди, ванадия, молибдена обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазочного материала. Их используют для изготовления тормозных барабанов автомобилей, дисков сцепления, гильз цилиндров и др.