Химический состав углеродистых сталей. Основные свойства и характеристики стали

1. По химическому состав у:
. углеродистые;
. легированные.

2. По концентрации углерода :
. низкоуглеродистые (0,7%С).

4. По качеству :
. обыкновенного качества (S-0,055%; P-0,045%);
. качественные (S-0,04%; P-0,035%);
. высококачественные (S-0,025%; P-0,025%);
. особо высококачественные (S-0,015%; P-0,025%).

Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству.

5. По способу раскисления :
. спокойные – сп (раскисляются FeMn, FeSi, Al);
. полуспокойные — пс (раскисляются FeMn, FeSi);
. кипящие — кп (раскисляются FeMn)

Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано название. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми. Недостаток этих сталей – повышенное содержание газообразных примесей.

6. По прочности :
. нормальной прочности σ в ≤1000 МПа;
. повышенной прочности σ в ≤1500 МПа;
. высокопрочные σ в ≥1000 МПа.

7. По назначению (легированные стали) :
. конструкционные;
. инструментальные;
. с особыми свойствами.

Углеродистые стали обыкновенного качества наиболее дешевые стали, в них допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями.

Стали обыкновенного качества выпускаются в виде проката: балки, прутки, листы, уголки, трубы, швеллеры, а также поковок.

В зависимости от гарантированных свойств их поставляют трех групп:
1) Стали группы А поставляют с гарантированными механическими свойствами. Химический состав не указывается. С повышением номера марки повышается прочность и снижается пластичность стали.

2) Стали группы Б поставляют с гарантируемым химическим составом. Механические свойства не гарантируются. Стали этой группы предназначены для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковки, сварки и термической обработки) при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких сталей важны сведения о химическом составе для определения режимов горячей обработки.

3) Стали группы В поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Их широко применяют для сварных конструкций. В этом случае важно знать исходные механические свойства, т.к. они сохраняются неизменными на участках, не подвергаемых нагреву при сварке. Для оценки же свариваемости, важны сведения о химическом составе стали. Именно стали группы В используются в котлостроении (ВСт2кп, ВСт3кп, ВСт2сп, ВСт4пс).

Углеродистую сталь обыкновенного качества изготавливают следующих марок:
— Ст0, Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп, Ст5пс, Ст6пс
— Ст1пс, Ст2пс, Ст3пс, Ст4пс, Ст5сп, Ст6сп
— Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп, Ст4сп, Ст5Гпс
— Ст3Гпс
— Ст3Гсп

Буквы «Ст» обозначают – сталь, цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава стали (с увеличением номера марки возрастает содержание углерода в стали). Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы «Б» и «В», указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Например: Ст3сп, БСт3пс, ВСт2кп.

Стали с повышенным содержанием Mn (0,8÷1,1%) имеют в марке стали букву «Г», например, Ст3Гпс, Ст5Гпс.

С повышением номера марки предел прочности и предел текучести повышаются, а характеристики пластичности снижаются. Повышение содержания углерода в стали ухудшает свариваемость, поэтому для сталей Ст5 и Ст6 сварку не применяют.

Кипящие стали (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп) содержат повышенное количество кислорода и имеют порог хладноломкости на 30÷40°С выше, чем спокойные тех же марок. Поэтому для конструкций, работающих при низких температурах, применяют спокойные стали.

Хладноломкость – склонность материала к появлению (или значительному возрастанию) хрупкости при понижении температуры. Критерием оценки служит температура, при которой значение ударной вязкости равно минимально допустимому значению – порог хладноломкости.

Качественные углеродистые стали поставляются в виде проката, поковок, и других полуфабрикатов с гарантированными химическим составом и механическими свойствами.

Химический состав – нормируемый показатель для стали всех марок, цифры в которых означают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Например: 20 – сталь с содержанием С 0,17÷0,24%.
Кроме железа и углерода стали большинства марок содержат:
Si – 0,17÷0,37%;
Mn – 0,35÷0,8%;
Cr

Легированные стали

Легированными называются стали, содержащие в своем составе один или несколько специальных элементов в количестве заметно изменяющим ее свойства, или содержащая повышенное против углеродистых сталей количество марганца (более 1%) и кремния (более 0,5%).

Наименование марок легированных сталей состоит из буквенного обозначения элементов и следующих за ним цифр.

Цифры обозначают среднее содержание легирующего элемента в %. При содержании элемента в количестве менее 1,5%, цифра не ставится.

Цифры перед первым буквенным обозначением указывают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента.

Химические элементы в марках стали обозначают следующими буквами:

Конструкционные стали делятся на:
. качественные (например: 30ХГС);
. высококачественные (в конце марки ставится буква «А»,
например: 30ХГСА);
. особовысококачественные (в конце марки через «-» буква 2Ш», например: 30ХГСА-Ш).

По микроструктуре после нормализации легированные стали делятся на три основные класса:
. перлитный;
. мартенситный;
. аустенитный.

Образование той или иной структуры легированных сталей после нормализации можно объяснить с помощью диаграммы изотермического распада аустенита. Большинство легирующих элементов сдвигает линии начала и конца распада аустенита вправо, увеличивая его устойчивость, и снижает температуру мартенситного превращения.

Легирующие элементы, вводимые в сталь, определяют ее физико-химические и прочностные свойства.

Углерод (С) – строго говоря, не относится к легирующим элементам, увеличивает σ в, σ т, снижает δ и ударную вязкость.

Кремний (Si) – в количестве 0,3% остается после раскисления, при содержании > 0,3% легирующий элемент, увеличивает σ в, снижает δ, увеличивает жаростойкость (окалиностройкость).

Жаростойкость (окалиностойкость) – способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под воздействием воздушной или газовой среды при высоких температурах. Критерием окалиностойкости служит потеря массы при окислении металла за определенный период.

Марганец (Mn) – в количестве до 0,8% остается после раскисления, при содержании > 0,8% легирующий элемент. Способствует стабилизации аустенитной структуры. Увеличивает σ в, снижает δ.

Алюминий (Al) – уменьшает склонность к росту зерна аустенита в высоколегированных сталях, применяется для повышения жаропрочности и жаростойкости.

Жаропрочность – способность материала выдерживать механические нагрузки без существенной деформации и разрушении при повышенных температурах.

Хром (Cr) – увеличивает прочность, сопротивление ползучести (до 2% без снижения пластичности), при содержании > 12% сталь становится коррозионно-стойкой.

Никель (Ni) – повышает прочность, пластичность, ударную вязкость, снижает температуру перехода в хрупкое состояние, уменьшает склонность к перегреву, в высоколегированных сталях обеспечивает устойчивую аустенитную структуру с повышенной жаропрочностью и коррозионной стойкостью.

Молибден (Mo) – повышает жаропрочность, коррозионную стойкость аустенитных сталей.

Вольфрам (W) – повышает жаропрочность высоколегированных сталей и сплавов.

Ванадий (V) – увеличивает прочность и жаропрочность, уменьшает склонность к росту зерна аустенита. Микродобавки V уменьшают содержание азота в твердом растворе.

Титан и ниобий (Ti и Nb) – действие аналогично ванадию, в высоколегированных сталях уменьшают склонность к межкристаллитной коррозии и повышают жаропрочность.

Медь (Cu) — в количестве 0,15÷0,25% повышает сопротивление стали атмосферной коррозии; при содержании 1,5÷2% несколько повышает твердость и прочность отожженной стали.

Бор (B) – повышает прокаливаемость и жаропрочность высоколегированных сталей.

Цветовая маркировка сталей

В соответствии с ГОСТ 27772-88 для сталей используется цветовая маркировка.

Технологические свойства сталей

НАЗНАЧЕНИЕ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

НАЗНАЧЕНИЕ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ

Продолжение табл. 1

Сталь марки Ст4, согласно ГОСТ, имеет следующие свойства в состоянии поставки (после прокатки или ковки): (σ в == 420÷540 МПа, σ т = 240÷260 МПа; δ = 21%.

Сталь 45, согласно ГОСТ, в состоянии поставки (после прокатки и отжига) имеет твердость не более НВ 207. При твердости НВ 190- 200 сталь имеет предел прочности не выше 600-620 МПа, а при твердости ниже НВ 180 предел прочности не превышает 550-600 МПа. Для отожженной углеродистой стали отношение σ т /σ в составляет примерно 0,5. Следовательно, предел текучести стали 45 в этом со­стоянии не превышает 270-320 МПа.

Сталь 20ХНЗА, согласно ГОСТ, в состоянии поставки (после про­катки и отжига) имеет твердость не более НВ 250. Следовательно, предел прочности при твердости НВ 230-250 не превышает 670- 750 МПа и может быть ниже 600 МПа для плавок с более низкой твердостью. Тогда предел текучести составляет 350-400 МПа, так как σ т /σ в для отожженной легированной стали 0,5-0,6.

Таким образом, для получения заданной величины предела те­кучести вал необходимо подвергнуть термической обработке.

Для низкоуглеродистой стали Ст4 улучшающее влияние терми­ческой обработки незначительно. Кроме того, Ст4 - как сталь обыкновенного качества имеет повышенное содержание серы и фосфора (см. табл. 1), которые понижают механические свойства и особенно сопротивление ударным нагрузкам.

Для такого ответственного изделия, как вал двигателя, поломка которого нарушает работу машины, применение более дешевой по составу стали обыкновенного качества нерационально.

Сталь 45 относится к классу качественной углеродистой, а сталь 20ХН3А - к классу высококачественной легированной стали. Они содержат соответственно 0,42-0,50 и 0,17-0,23%С и принимают закалку.

Для повышения прочности можно применять нормализацию или закалку с высоким отпуском.

Последний вариант обработки сложнее, но позволяет получить не только более высокие характеристики прочности, но и более высокую вязкость. В стали 45 минимальные значения ударной вязкости (a н после нормализации составляют 200-300 кДж/м 2 , а после закалки и отпуска с нагревом до 500° С достигают 600-700 кДж/м 2 .

Так как вал двигателя воспринимает в работе динамические нагрузки, а также и вибрации, более целесообразно применить закалку и отпуск. После закалки в воде углеродистая сталь 45 получает структуру мартенсита. Однако вследствие небольшой прокаливаемости углеродистой стали эта структура в изделиях диа­метром более 20-25 мм образуется только в сравнительно тонком поверхностном слое тол­щиной до 2-4 мм.

Последующий отпуск вызывает превращение мартенсита и троостита в сорбит только в тонком поверхностном слое, но не влияет на структуру и свойства перлита и феррита в основной массе изделий.

Сорбит отпуска обладает более высокими механическими свойствами, чем феррит и перлит.

Наибольшие напряжения от изгиба, кручения и повторно пере­менных нагрузок воспринимают наружные слои, которые и должны обладать повышенными механическими свойствам. Однако в со­противлении динамическим нагрузкам, которые воспринимает вал, участвуют не только поверхностные, но и нижележащие слои ме­талла.

Таким образом, углеродистая сталь не будет иметь требуемых свойств по сечению вала диаметром 70 мм.

Сталь 20ХНЗА легирована никелем и хромом для повышения прокаливаемости и закаливаемости. Она получает после закалки до­статочно однородные структуру и механические свойства в сечении диаметром до 75 мм.

1. Закалка с 820-835° С в масле.

При закалке с охлаждением в масле (а не в воде, как это требуется для углеродистой стали) возникают меньшие напряжения, а, следо­вательно, и меньшая деформация. После закалки сталь имеет струк­туру мартенсита и твердость не ниже HRC 50.

2. Отпуск 520-530° С. Для предупреждения отпускной хруп­кости, к которой чувствительны стали с хромом (марганцем, вал после нагрева следует охлаждать в масле.

Механические свойства стали 20ХНЗА в изделии диаметром до 75 мм после термической обработки:

Предел прочности σ в =900-1000 МПа, предел текучести σ т = 750-800 МПа , относительное удлинение δ = 8-10 %, относительное сужение ψ = 45-50 %, ударная вязкость а н = 900 кДж /м 2 .

Таким образом, эти свойства обеспечивают требования, формулиро­ванные в задаче, для вала диаметром 70 мм.

№ 2. Зубчатые колеса в зависимости от условий работы и возни­кающих напряжений можно изготавливать из стали обыкновенного качества, качественной углеродистой и легированной с различным содержанием легирующих элементов.

Выбрать, руководствуясь техническими и экономическими сооб­ражениями, сталь для изготовления колес диаметром 50 мм и вы­сотой 30 мм с пределом прочности не ниже 360-380 МПа.

Указать термическую обработку колес, механические свойства и структуру выбранной стали в готовом изделии и для сравнения механические свойства и структуру сталей 45 и 40ХН после улуч­шающей термической обработки.

№ 3. Выбрать сталь для изготовления валов диаметром 50 мм для двух редукторов. По расчету сталь для одного из валов должна иметь предел текучести не ниже 350 МПа, а для другого - не ниже 500 МПа.

Указать: 1) состав и марку выбранных сталей; 2) рекомендуемый режим термической обработки; 3) структуру после каждой операции термической обработки; 4) механические свойства в готовом изделии.

Можно ли применять углеродистую сталь обыкновенного каче­ства для изготовления валов требуемого сечения и прочности?

№ 4. Коленчатые валы диаметром 80 мм, работающие при по­вышенных напряжениях, изготавливают на одном заводе из каче­ственной углеродистой стали, а на другом - из легированной стали.

Какую сталь следует применять для этой цели? Указать ее хими­ческий состав и марку.

№ 5. Выбрать сталь для изготовления тяжело нагруженных коленчатых валов диаметром 60 мм: предел прочности должен быть не ниже 750 МПа.

ЗАДАЧИ ПО ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫМ

СТАЛЯМ И СПЛАВАМ

№ 6. Стойкость сверл и фрез, изготовленных из быстрорежу­щей стали умеренной теплостойкости марки Р12 и обрабатывав­ших конструкционные стали твердостью НВ 180-200, была удов­летворительной.

Однако стойкость этих сверл резко снизилась при обработке жаропрочной аустенитной стали.

Рекомендовать быстрорежущую сталь повышенной теплостой­кости, пригодную для производительного резания жаропрочных сталей, указать ее марку и химический состав, термическую обра­ботку и микроструктуру в готовом инструменте.

Сопоставить теплостойкость стали Р12 и выбранной стали.

Решение задачи № 6

Режущие инструменты для производительного резания изготов­ляют из быстрорежущих сталей, так как эти стали обладают тепло­стойкостью. Они сохраняют мартенситную структуру и высокую твердость при повышенном нагреве (500-650° С), возникающем в режущей кромке.

Однако стойкость инструментов из быстрорежущих сталей, под­вергавшихся оптимальной термической обработке, определяется не только их химическим составом, структурой и режимом резания, но сильно зависит от свойств обрабатываемого материала.

При резании сталей и сплавов с аустенитной структурой (нержа­веющих, жаропрочных и др.), получающих все более широкое при­менение в промышленности, стойкость инструментов и предельная скорость резания могут сильно снижаться по сравнению с получае­мыми при резании обычных конструкционных сталей и чугунов с относительно невысокой твердостью (до НВ 220-250). Это связано главным образом с тем, что теплопроводность аустенитных сплавов пониженная. Вследствие этого тепло, выделяющееся при резании, лишь в небольшой степени поглощается сходящей стружкой и де­талью и в основном воспринимается режущей кромкой. Кроме того,

эти сплавы сильно упрочняются под режущей кромкой в процессе резания, из-за чего заметно возрастают усилия резания.

Для резания подобных материалов, называемых труднообраба­тываемыми, мало пригодны быстрорежущие стали умеренной теплостойкости, сохраняющие высокую твердость (HRC 60) и мартенситную структуру после нагрева не выше 615-620°С. Для обработки аустенитных сплавов необходимо выбирать быстрорежущие стали повышенной теплостойкости, а именно кобальтовые. Кобальт способствует выделению при отпуске наряду с карбидами также и частиц интерметаллидов, более стойких против коагуляции, и за­трудняет процессы диффузии при температурах нагрева режущей кромки. Кобальтовые стали сохраняют твердость HRC 60 после более высокого нагрева: до 640-645° С. Кроме того, кобальт за­метно (на 30-40%) повышает теплопроводность быстрорежущей стали, а следовательно, снижает температуры режущей кромки из-за лучшего отвода тепла в тело инструмента. Наконец, стали с кобальтом имеют более высокую твердость (до HRC 68 у стали Р8МЗК6С).

Для сверл и фрез, применяемых для резания аустенитных спла­вов, рекомендуются кобальтовые стали марок Р12Ф4К5 или Р8МЗК6С. Термическая обработка кобальтовых сталей принци­пиально не отличается от обработки других быстрорежущих сталей. Она следующая.

Инструменты закаливают с очень высоких температур (1240- 1250° С для стали Р12Ф4К5 и 1210-1220° С для стали Р8МЗК6С), что необходимо для растворения большего количества карбидов и насыщения аустенита (мартенсита) легирующими элементами: вольфрамом, молибденом, ванадием и хромом. Еще более высокий нагрев, дополнительно усиливающий перевод карбидов в раствор, недопустим: он вызывает рост зерна, что снижает прочность и вяз­кость. Структура стали после закалки: мартенсит, остаточный аустенит (15-30%) и избыточные карбиды, не растворяющиеся при на­греве и задерживавшие рост зерна. Твердость HRC 60- 62.

Затем инструменты отпускают при 550-560° С (3 раза по 60 мин). Отпуска вызывает: а) выделение дисперсных карбидов и интерме­таллидов из мартенсита (дисперсионное твердение), что повышает твердость до HRC 66-69; б) превращает мягкую составляющую - остаточный аустенит в мартенсит; в) снимает напряжения, вызы­ваемые мартенситным превращением.

После отпуска инструменты шлифуют, а затем подвергают цианированию, чаще всего жидкому в смеси NaCN (50%) и Na 2 C0 3 (50%) с выдержкой 15-30 мин (в зависимости от сечения инструмента).

Твердость цианированного слоя на глубину 0,02-0,03 мм дости­гает HRC 69-70; немного (на 10° С) возрастает и теплостойкость. При нагреве для цианирования снимаются также напряжения, вызванные шлифованием. Цианирование повышает стойкость ин­струментов на 50-80%.

После цианирования целесообразен кратковременный нагрев при 450-500° С в атмосфере пара и с охлаждением в масле; поверх­ность инструмента приобретает тогда синий цвет и несколько луч­шую стойкость против воздушной коррозии.

№ 7. Выбрать сталь для червячных фрез, обрабатывающих конструкционные стали твердостью НВ 220-240.

Объяснить причины, по которым для этого назначения нецеле­сообразно использовать углеродистую инструментальную сталь У12 с высокой твердостью (HRC 63-64).

№ 8. Завод должен изготовить долбяки, обрабатывающие с динамическими нагрузками конструкционные стали с твердостью НВ 200-230.

Выбрать марку быстрорежущей стали, наиболее пригодной для этого назначения, рекомендовать режим термической обработки и указать структуру и свойства (для долбяков наружным диаме­тром 60 мм).

№ 9. Завод изготовлял протяжки из высоковольфрамовой стали Р18.

Указать, можно ли использовать для протяжек менее легиро­ванную, а следовательно, более экономичную быстрорежущую сталь.

Выбрать марку стали для протяжек, обрабатывающих конструк­ционные стали с твердостью до НВ 250, указать ее термическую обработку, структуру и свойства для случаев, когда протяжки изготовляют из проката диаметром 40 и 85 мм.

ЗАДАЧИ ПО цветным металлам И СПЛАВАМ

№ 10. Многие изделия изготавливают из латуни вытяжкой из листа в холодном состоянии. Иногда в изделиях обнаруживаются трещины, возникающие без приложения внешних нагрузок (так называемое «сезонное растрескивание»). На рис. 1 показана де­таль после глубокой вытяжки и после растрескивания при вылежи­вании.

Рис. 1. Растрескивание ла­тунной детали после глубокой вытяжки и вылеживания

Объяснить сущность этого явления и указать способы его преду­беждения.

Подобрать марку латуни, не подверженной сезонному растрескиванию. Кроме того, описать структуру, технологи­ческие свойства α и α + β"-латуней.

Решение задачи № 10

Латуни в зависимости от содержания цинка и структуры можно разделить на три класса:

1. α-латуни....... До 39,5% Zn

2. α + β"-латуни..... От 39,5 до 45,7% Zn

3. β"-латуни....... От 45,7 до 51% Zn

Увеличение содержания цинка изменяет структуру и свойства латуни (рис. 2).

Увеличение содержания цинка до определенного предела повы­шает пластичность и прочность. Пластичность достигает максимальных значений при 30-32% Zn, а прочность - при 40%. При даль­нейшем увеличении содержания цинка прочность и пластичность снижаются.

Это изменение свойств определяется свойствами соответствую­щих фаз, образующихся при введении цинка.

α-фаза представляет твердый раствор типа замещения, пластич­ность и прочность которой возрастают по мере увеличения содер­жания цинка.

β"-фаза - твердый раствор на базе электронного соединения с центрированной кубической решеткой и упорядоченным располо­жением атомов. Эта фаза отличается повышенной хрупкостью и твердостью; поэтому образование β-фазы снижает вязкость и повы­шает твердость.

Рис. 2. Механические свойства латуни в зависимости от содержания цинка:

а - литая латунь; б - катаная и отожженная латунь

При нагреве выше 450° С β"-фаза превращается в неупорядочен­ный твердый раствор β, отличающийся большей пластичностью, чем β"-фаза. Из диаграммы состояния видно, что α + β"-латуни приобретают при таком нагреве однородную структуру β-твердого раствора, а следовательно, и большую пластичность.

Эти свойства фаз определяют технологический прогресс изготов­ления изделий из различных сортов латуни, а также их назначение.

Изделия из α-латуни изготавливают главным образом холодной или горячей деформацией; обработка резанием не дает достаточно чистой поверхности. Изделия из α + β"-латуни изготавливают горячей (прессование, штамповка) или холодной деформацией (но без вы­тяжки) или обработкой резанием.

В результате последующего отжига прочность сплава понижается, но пластичность возрастает (рис. 3).

Холодная деформация латуни создает в изделии остаточные напряжения. Они возникают и в результате местной холодной дефор­мации (при изгибе деталей, чеканке, развальцовке и т. п.).

Рис. 3. Механические свойства латуни Л68 в зависимости:

а - от степени деформации; б - от температуры отжига

При вылеживании или эксплуатации в латунных изделиях иногда воз­никают трещины. «Сезонное растрескивание» наблюдается главные образом в латунях с содержанием более 20% Zn и отчетливо обнару­живается, например, в полых изделиях, прутках и т. д. Сезонное растрескивание усиливается в химически активных средах, особенно в парах аммиака, ртутных солях, ртути, мыльной воде и т. д. Образование трещин является результатом совместного действия остаточных напряжений, созданных холодной деформацией (наиболее опасны растягивающие напряжения), и химически активных сред.

Для предохранения от сезонного растрескивания нужен отпуск с нагревом до 200-300° С; это снимает большую часть остаточных напряжений и незначительно снижает прочность.

Но в условиях изготовления и монтажа конструкций с примене­нием развальцовки, гибки и т. д. не всегда возможно избежать возникновения местных, даже незначительных деформаций, а, сле­довательно, и сезонного растрескивания. В таких случаях приме­няют более дорогие (и имеющие меньшую прочность), но не склонные к сезонному растрескиванию латуни Л96 и Л90. Латуни Л96 и Л90 обладают высокой теплопроводностью.

Латуни можно заменить алюминиевой бронзой, не склонной к сезонному растрескиванию и обладающей аналогичными значе­ниями прочности и пластичности.

№ 11. Гребные винты морских пароходов имеют сложную форму и очень массивны, например масса винта современного круп­ного океанского теплохода достигает 30-50 т.

Наметить схему технологии изготовления винта, учитывая его форму. Исходя из этой схемы и условий работы винта в морской воде, подобрать состав сплава и указать его структуру и механи­ческие свойства.

№ 12. Некоторые детали арматуры турбин, котлов гидронасо­сов и т. п., работающие во влажной атмосфере и изготавливаемые массовыми партиями литьем, имеют сложную форму. В процессе литья должна быть обеспечена максимальная точность размеров.

Указать состав применяемого для этой цели цветного сплава, его структуру и механические свойства; привести способ литья, позволяющий создать требуемую высокую точность с минимальной после­дующей механической обработкой.

Привести химический состав стали для форм, применяемых для литья выбранного сплава, и указать режим термической об­работки, а также структуру стали в го­товом изделии.

№ 13. Многие детали приборов и обо­рудования, подверженные действию мор­ской воды, изготавливают из цветного сплава путем холодной деформации в не­сколько операций.

Подобрать сплав, стойкий против дей­ствия морской воды, и привести его хи­мический состав.

Указать режим промежуточной термической обработки выбран­ного сплава и привести его механические свойства после деформации и термической обработки. Сравнить состав стали, стойкой против действия морской воды;

привести режим ее термической обработки, механические свойства и структуру.

№ 14. Трубки в паросиловых установках должны быть стойки против коррозии.

Подобрать марку сплава на медной основе, пригодного для изго­товления трубок и не содержащего дорогих элементов; привести состав выбранного сплава.

Указать способ изготовления трубок и сравнить механические свойства выбранного сплава, получаемые после окончательной обра­ботки, с механическими свойствами стали, стойкой против корро­зии в тех же средах.

.
Класс: Сталь конструкционная подшипниковая
Использование в промышленности: шарики диаметром до 150 мм, ролики диаметром до 23 мм, кольца подшипников с толщиной стенки до 14 мм, втулки плунжеров, плунжеры, нагнетательные клапаны, корпуса распылителей, ролики толкателей и другие детали, от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность.

Расшифровка марки ШХ15: с буквы Ш начинается маркировка подшипниковых сталей, Х означает легирование стали хромом, который присутствует в количестве 1,5%.

Особенности и применение стали ШХ15: для ответственных деталей приборов и машин в ряде случаев применяют закаленные стали с высокой твердостью, упрочняемые мартенситным превращением.

В условиях эксплуатации, особенно под напряжением, в метастабильной структуре закаленной стали могут проходить значительные изменения, приводящие к нарушению геометрических размеров изделий. Уже в ненагруженных закаленных деталях наблюдаются существенные изменения объема и размеров во времени. Эти изменения обусловлены диффузионными процессами перемещения атомов углерода в мартенсите, сопровождающиеся уменьшением размеров, и процессами распада остаточного аустенита — с увеличением размеров.

Посредством наблюдений за изменениями размеров закаленных образцов в процессе отпуска и рентгенографическими исследованиями установлено, что для стабилизации мартенсита закалки при комнатной температуре достаточно 2-4-часового отпуска при 150° С. Для стабилизации мартенсита при эксплуатации в условиях повышенных температур необходимо, чтобы температура отпуска превышала эксплуатационную на 50-100° С.

Основной причиной изменения размеров закаленной и подвергнутой низкому отпуску стали является остаточный аустенит. Превращение 1% аустенита в мартенсит приводит к изменению размеров стали на 1.10 -4 , что составляет 10 мкм на каждые 100 мм размера. Существует критическое количество остаточного аустенита, ниже которого стабильность размеров стали в пределах 1 . 10 -5 при минусовой и комнатной температурах сохраняется. Критическое количество аустенита изменяется пропорционально логарифму времени хранения и повышается с возрастанием температуры закалки и последу

ющего отпуска. Например, критическое количество аустенита, сохраняющее стабильность размеров стали ШХ15 в течение 3—5 лет в пределах 1-10 6 , составляет после закалки при 840 и 880° С и отпуске 100° С соответственно 5 и 10%, после отпуска 150° С - соответственно 10 и 19%.

Отпуск при 150° С, стабилизирующий мартенсит при комнатной температуре, является малоэффективным с точки зрения стабилизации остаточного аустенита. Увеличение размеров образцов, свидетельствующее о процессе аустенитно-мартенситного превращения, начинается лишь через 20 ч выдержки при 150° С. Начало интенсивного распада аустенита наблюдается только при 200° С. При этом твердость закаленной стали снижается до HRC60. В тех случаях, когда подобное снижение твердости недопустимо, основным способом понижения содержания остаточного аустенита в структуре закаленной стали является обработка при температуре ниже нуля, что связано с положением точки конца мартенситного превращения. Необходимость обработки холодом для стабилизации размеров точного мерительного инструмента и подшипников прецизионных приборов показана в ряде советских и зарубежных работ. Однако понизить содержание остаточного аустенита посредством обработки холодом ниже 4—5% для большинства инструментальных и подшипниковых сталей не удается. Поэтому некоторые исследователи рекомендуют сочетать обработку холодом с последующим продолжительным низким отпуском, который для стали типа ШХ15 должен составлять не менее 10 000 ч при 100° С, 160 ч при 150° С и 50 ч при 180° С.

При повышенных температурах скорость превращения аустенита не зависит от температуры отпуска и пропорциональна только его количеству. В условиях эксплуатации при повышенных температурах превращение аустенита идет по бейнитному механизму и эффект стабилизации остаточного аустенита отсутствует. Суммарный эффект изменения размеров при повышенных температурах определяется относительной устойчивостью мартенсита и остаточного аустенита. Для изделий, работающих при температуре порядка 150° С, в целях снижения количества остаточного аустенита обязательна обработка холодом. Обработка холодом при -70° С стабилизирует размеры в течение 10000 ч при рабочей температуре 120 о С в пределах 5 . 10 -6 , а при 120-150° С в пределах 10 . 10 -5 . Дальнейшее повышение размерной стабильности может быть достигнуто посредством отпуска при температурах, обеспечивающих необходимую полноту распада остаточного аустенита, и стабилизации мартенсита. Для стали ШХ15 эти температуры составляют не менее 225-250° С.

Поскольку наиболее полными характеристиками размерной стабильности материала являются показатели сопротивления микропластическим деформациям, представляло интерес оценить зависимость этих характеристик от режимов термообработки закаленной стали.

Под напряжением в закаленной стали одновременно проходят процессы фазовых превращений и микропластических деформаций. При этом микропластические деформации ускоряют процессы фазовых превращений. Одновременно последние приводят к резкому понижению сопротивления начальным стадиям пластической деформации. Понижение сопротивления пластическому деформированию в условиях протекания фазовых и структурных превращений в литературе получило название кинетической пластичности или кинетического изменения свойств. Указанное явление характерно для стали, закаленной на высокую твердость, и ведет к активному изменению размеров вследствие развития процессов ползучести и релаксации напряжений. Сопротивление микропластическим деформациям характеризует не только размерную стабильность материала, но и отражает его сопротивление износу, поскольку последний по современным представлениям имеет в значительной степени усталостную природу и возникает в результате развития в металле микропластических деформаций.

В условиях метастабильного фазового и структурного состояния кинетика релаксации напряжений непосредственно контролируется процессами фазовых и структурных превращений, протекающих в условиях испытаний. В закаленных сталях типа ШХ15 кинетика процесса релаксации напряжений в интервале 100—200° С определяется нестабильностью мартенсита. Об этом свидетельствует совпадение энергий активации процессов релаксации напряжений и уменьшения удельного объема вследствие превращения мартенситной составляющей, а также соответствие этих изменений степеням релаксации напряжений в широком диапазоне температур и длительностей испытаний.

Зависимость предела упругости от температуры отпуска закаленной стали меняется по кривой с максимумом аналогично зависимости предела упругости наклепанных металлов от температуры дорекристаллизационного отжига. Представлена указанная зависимость для различных по составу сталей - углеродистых, конструкционных легированных, подшипниковых и нержавеющих, которые широко распространены в прецизионном машиностроении и приборостроении. Как видно из представленных данных, после оптимального отпуска предел упругости возрастает для различных сталей от 30% до 3-4 раз.

Наряду с повышением предела упругости при дорекристаллизационном отжиге возрастает релаксационная стойкость закаленной стали. Максимальная релаксационная стойкость наблюдается после отпуска при тех же температурах, что и максимальный предел упругости, например для сталей ШХ15 и 11Х18М при 250 и 350- 400° С соответственно.

Очевидно, что наблюдаемый рост сопротивления микропластическим деформациям с повышением температуры отпуска обусловлен процессами стабилизации мартенсита и остаточного аустенита, а также распадом последнего.

Особый интерес представляет целесообразность использования для стабилизации размеров закаленных стальных изделий многократной обработки холодом, чередующейся с низким отпуском. Некоторые авторы считают, что такая обработка обеспечивает более полное превращение остаточного аустенита по сравнению с однократным охлаждением и нагревом. По данным работы весь процесс стабилизации состоит из 5—6 циклов охлаждения до -85° С, каждый из которых сопровождается низким отпуском. Предполагается, что при каждом последующем охлаждении осуществляется дополнительное превращение части остаточного аустенита в мартенсит, а отпуск после охлаждения снимает возникшие вследствие указанного превращения и резкого охлаждения внутренние напряжения. В Японии запатентован метод термической обработки подшипниковой стали, заключающийся в проведении после закалки многократных теплосмен в интервале -50 +150° С. Повышение стабильности размеров в результате понижения количества остаточного аустенита после повторения цикла «обработка холодом-отпуск».

Многократная обработка холодом, чередующаяся с отпуском, позволяет повысить сопротивление микропластическим деформациям и стабильность размеров закаленной высокоуглеродистой стали.

В результате многократной термоциклической обработки существенно уменьшается содержание остаточного аустенита в стали в отличие от однократной обработки холодом и отпуском. Одновременно повышается предел упругости. После 6-кратной обработки при -70 и +150° С (режим 2) предел упругости при изгибе σ 0,001 составил 155 кгс/мм 2 против 137 кгс/мм 2 после однократной обработки (режим 3), т. е. повысился примерно на 13%.

Существенно возросла также и релаксационная стойкость стали.

Рассмотрим возможный механизм влияния многократной обработки по циклу «охлаждение ниже нуля - низкотемпературный нагрев» на структуру закаленной стали.

При охлаждении стали до минусовой температуры повышается разность свободных энергий аустенита и мартенсита и в связи с этим происходит дополнительный распад аустенита, На кинетику распада аустенита большое влияние оказывают поля напряжений, образующиеся в стали при ее охлаждении до минусовых температур после закалки. После закалки остаточный аустенит находится под воздействием всестороннего сжатия, которое задерживает мартенситное превращение. В связи с разницей в коэффициентах линейного расширения аустенита и мартенсита величина этого давления на аустенит уменьшается по мере охлаждения до отрицательных температур, что способствует ускорению мартен-ситного превращения. Превращение будет продолжаться до тех пор, пока выигрыш в свободной энергии из-за изменения решетки не будет поглощен энергией упругой деформации, возникающей в процессе образования мартенсита или пока не образуется предельное для данной температуры количество мартенсита, соответствующее минимуму общей свободной энергии.

В процессе нагрева стали до верхней температуры цикла и выдержке при этой температуре будет дополнительно происходить мартенситное превращение. Нарушения строения аустенита вокруг образовавшихся при низкой температуре кристаллов мартенсита облегчают последующее превращение при более высокой температуре. Полученные при предыдущем превращении упругие искажения в аустените будут облегчать зарождение последующих мартенситных кристаллов.

При этом чем больше упругие искажения в аустените в результате предыдущего мартенситного превращения при охлаждении до отрицательной температуры, тем выше скорость превращения при последующем нагреве.

Мартенситное превращение при нагреве будет продолжаться до тех пор, пока в новых условиях значение упругой энергии деформации, возникшей в процессе образования мартенсита, не станет равным разности свободных энергий решеток аустенита и мартенсита. При этом на кинетику зарождения новых кристаллов мартенсита значительное влияние оказывают факторы стабилизации аустенита и разность коэффициентов линейного расширения мартенсита и аустенита. Эти факторы уменьшают скорость мартенситного превращения при нагреве. Стабилизация аустенита обусловлена процессами отдыха металла при нагреве: уменьшением перенапряжений в микрообъемах, уменьшением плотности дислокаций в скоплениях, общим перераспределением дислокаций и точечных дефектов. В связи с разностью в коэффициентах линейного расширения аустенита и мартенсита при нагреве в аустените могут появляться дополнительные сжимающие напряжения, уменьшающие скорость превращения. При нагреве от минусовой до верхней температуры цикла процессы отдыха проходят также и в мартенсите с перераспределением дислокаций и точечных дефектов, уменьшением локальных скоплений дислокаций и перенапряжений в микрообъемах и повышением, в связи с этим, устойчивости мартенсита.

Распад мартенсита проходит после процесса отдыха и наиболее заметно наблюдается выше 100° С с выделением на первой стадии (в интервале 100-150° С) е-карбида и уменьшением степени тетрагональности мартенсита. После обособления карбидных частиц и уменьшения неоднородности концентрации углерода (при повышении температуры) искажения второго рода уменьшаются.

Таким образом, в результате процессов, проходящих в закаленной стали при нагреве от минусовой до верхней температуры 1-го цикла ТЦО, уменьшается количество остаточного аустенита и повышается его стабильность, происходит частичный распад мартенсита, а также повышается его устойчивость. По-видимому, величина микронапряжений на границе фаз также получается минимальной в связи с их релаксацией при отдыхе.

В результате необратимых процессов, проходящих при нагреве от минусовой до верхней температуры 1-го цикла, понижается энергия искажений кристаллической решетки. При повторном охлаждении стали до отрицательной температуры вновь появляется термодинамический стимул для мартенситного превращения. Однако в новых условиях скорость мартенситного превращения при охлаждении будет значительно ниже в сравнении с превращением в 1-м цикле, поскольку в результате предварительной стабилизации аустенита повышается работа образования зародышей мартенсита. Вследствие отдыха аустенита в 1-м цикле, распределение дефектов кристаллического строения становится менее благоприятным для образования новых зародышей мартенсита.

При нагреве во 2-м цикле новые упругоискаженные области, возникшие в аустените в процессе у-а превращения при низкой температуре, также будут способствовать зарождению новых кристаллов мартенсита аналогично процессам в 1-м цикле нагрева. При этом, однако, скорость процессов оказывается значительно ниже, так как величина новых упругоискаженных областей будет меньше, чем в 1-м цикле. При повторном цикле нагрева вновь проходят процессы отдыха и стабилизации мартенсита. Происходит также некоторый дополнительный распад мартенсита (более полное прохождение 1-й стадии отпуска). В результате 2-го цикла ТЦО дополнительно уменьшается количество остаточного аустенита и значительно повышается устойчивость закаленной структуры при последующих изменениях температуры. Таким образом, после нового цикла ТЦО повышается стабильность остаточного аустенита и мартенсита.

Эффективность ТЦО ограничивается несколькими циклами обработки «холод-тепло» (3-б циклов), дальнейшее увеличение числа циклов неэффективно. Как и следовало ожидать, наибольший эффект достигается после 1-го цикла обработки. Однако экспериментальные данные показали, что для повышения сопротивления микропластическим деформациям весьма существенны также последующие несколько циклов обработки, при которых проходит дополнительный распад остаточного аустенита и более полная стабилизация структуры.

В результате 3—6-кратной ТЦО образуется устойчивая структура мартенсита с минимальным количеством остаточного аустенита, также хорошо стабилизированного. Более стабильная структура обеспечивает повышение сопротивления микропластическим деформациям в закаленной стали.

Изложенное свидетельствует об эффективности многократной обработки холодом, чередующейся с низкотемпературным отпуском, для стабилизации размеров изделий из стали, закаленной на высокую твердость. Зарубежные фирмы, применяющие указанную обработку, гарантируют более высокую стабильность мерительного инструмента, чем это требует ГОСТ 9038-90 и чем фактически наблюдается на плоскопараллельных концевых мерах отечественного изготовления.

По химическому составу сталь подразделяют на углеродистую и легированную. Углеродистые стали разделяют по содержанию углерода на:

· малоуглеродистые: менее 0,3 % углерода;

· среднеуглеродистые: 0,3-0,7 % углерода;

· -высокоуглеродистые: более 0,7 % углерода.

Легированные стали разделяют по общему содержанию легирующих элементов на:

· низколегированные: менее 2,5 %;

· среднелегированные: 2,5-10,0 %;

· высокоуглеродистые: более 10,0%.

Классификация стали по способу производства и качеству (содержанию вредных примесей) К вредным примесям в сталях относят серу S и фосфор P.

В зависимости от их содержания стали разделяют на:

· стали обыкновенного качества (рядовые): до 0,06% S, до 0,07% P;

· качественные стали: до 0,04% S, до 0,035% P;

· высококачественные стали: до 0,025% S, до 0,025% P;

· особовысококачественные стали: до 0,015% S, до 0,025% P.

· Сталь обыкновенного качества (или рядовая сталь) выплавляется чаще всего в больших мартеновских печах, конвертерах и разливается в сравнительно крупные слитки Способ изготовления во многом предопределяет состав, строение и свойства этой стали. Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, Классификация стали по назначению

· Конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, изно-состойкие стали.

· К строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества, а также низколегированные стали. Основное требование к строительным сталям - их хорошая свариваемость.

· Для холодной штамповки применяют листовой прокат из низкоуглеродистых качественных

· Цементируемые стали применяют для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические нагрузки.

· Высокопрочные стали - это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях

· Пружинные (рессорно-пружинные) стали сохраняют в течение длительного времени упругие свойства, поскольку имеют высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости. К пружинным относятся углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элементами, которые повышают предел упругости - кремни-ем, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием

· Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокую прочность, износоустойчивость, выносливость. К подшипниковым предъявляют повышенные требования на отсутствие различных включений, макро- и микропористости. Обычно шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома

· Износостойкие стали применяют для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов (крестовины железнодорожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки землеройных машин, ковши экскаваторов и др.).

· Коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные

· Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин, клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С.

· Жаропрочные стали способны работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и при этом обладают достаточной жаростойкостью. Данные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.).

· Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах, в том числе серосодержащих, при температурах +550-1200°С в воздухе, печных газах.

· Инструментальные стали по назначению делят на стали для режущих, измерительных инструментов, штамповые стали.

· Стали для режущих инструментов должны быть способными сохранять высокую твердость и режущую способность продолжительное время, том числе и при нагреве. В качестве сталей для режущих инструментов применяют углеродистые, легированные инструментальные, быстрорежущие стали.

· Штамповые стали обладают высокой твердостью и износостойкостью, прокаливаемостью и теплостойкостью.

Билет 26 Цветные металлы в чистом виде обычно применяются редко, чаще используют различные сплавы. Из числа сплавов цветных металлов в машиностроении наибольшее значение имеют легкие сплавы – алюминия, магния и титана, а также медь и ее сплавы, сплавы на основе никеля, сплавы для подшипников (баббиты), материалы для полупроводников и высокопрочные сплавы на основе тугоплавких металлов.

АЛЮМИНИЙ Для алюминия и его сплавов характерна большая удельная прочность, близкая к значениям для среднелегированных сталей. алюминий и его сплавы хорошо поддаются горячей и холодной деформациям, точечной сварке, а специальные сплавы можно сваривать плавлением и другими видами сварки. Чистый алюминий хорошо сопротивляется коррозии, так как на его поверхности образуется плотная пленка оксидов Al2O3. Добавки железа и кремния повышают прочность алюминия, но снижают пластичность и устойчивость против коррозии. Чистый алюминий применяется для кабелей и электропроводящих деталей, но в основ-ном алюминий используется для изготов-ления сплавов.

МАГНИЙ Малая плотность магния и его сплавов в сочетании с высокой удельной прочностью и рядом физико-химических свойств делает их ценными для применения в различных областях машиностроения: автомобильной, приборостроении, самолетостроении, космической, радиотехнике и других. В горячем состоянии магниевые сплавы хорошо поддаются различным видам обработки давлением – прессованию, ковке, прокатке.

ТИТАН Титан обладает высокими механическими свойствами, высокой удельной прочностью при комнатных и криогенных температурах, а также хорошей коррозионной стойкостью Механические свойства титана сильно зависят от содержания примесей. Так небольшие количества кислорода, азота и углерода повышают твердость и прочность, но при этом значительно уменьшаются пластичность и коррозионная стойкость, ухудшается свариваемость и штампуемость. Особенно вреден водород, который образует по границам зерен тонкие пла-стины гидридов, сильно охрупчивающих металл. Для особо ответственных деталей применяют наиболее чистый титан.

МЕДЬ Наиболее характерными свойствами чистой меди являются высокие значения электропроводности, теплопроводности и стойкость против атмосферной коррозии. В связи с высокой пластичностью чистая медь хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях. В процессе холодной деформации медь наклепывается и упрочняется; восстановление пластичности достигается рекристаллизационным отжигом при 500…600ºС в восстановительной атмо-сфере, так как медь легко окисляется при нагреве. Чистая медь применяется для проводников электрического тока, различных теплообменников, водоохлаждаемых изложниц, поддонов, кристаллизаторов. Чистая медь имеет низкую прочность и жидкотекучесть, плохо обрабатывается резанием, поэтому более широкое применение нашли сплавы на ее основе. При сохранении высоких показателей электро- и теплопроводности коррозионной стойкости сплавы меди обладают хорошими механическими, технологическими и антифрикционными свойствами. Для легирования меди в основном применяют цинк, олово, алюминий, бериллий, кремний, марганец и никель. Повышая прочность сплавов, эти легирующие элементы практически не снижают пластичность, цинк, олово, алюминий даже увеличивают ее.

ЛАТУНЬ Латунями называют медноцинковые сплавы. При дополнительном введении в сплав добавок алюминия, свинца, олова, кремния и других элементов получают специальные латуни. Практическое применение находят латуни, содержание цинка в которых не превышает 49%. При более высокой концентрации цинка значительно ухудшается механические свойства сплава.

БРОНЗА Хуй знает че с этой бронзой, обозначается он буквами "Бр" вот и все, что можно объяснить доступным языком, а химические формулы и заумные слова тольео похоронят тебя на экзамене. Вот такие дела удачи)

Билет 35 Пластмассы

Пластмассы - искусственные материалы. Обязательным компонентом является связка. В качестве связки используются: синтетические смолы; эфиры, целлюлоза. Некоторые пластмассы состоят только из одной связки (полиэтилен, фторопласты, органическое стекло). Вторым компонентом является наполнитель (порошкообразные, волокнистые, сетчатые вещества органического или неорганического происхождения). Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании полуфабриката, придают материалу необходимые свойства. Для повышения эластичности и облегчения обработки в пластмассу добавляют пластификаторы (олеиновая кислота, стеарин, дибутилфторат...). Исходная композиция может содержать: отвердители (амины); катализаторы (перекиси) процесса отвердения; красители. Основой классификации пластмасс служит химический состав полимера: По характеру связующего вещества, различают термопластичные (термопласты) и термореактивные пластмассы. Термопласты получают на основе термопластичных полимеров. Они удобны для переработки (при нагревании пластифицируются), имеют низкую объемную усадку (не более 4%), отличаются большой упругостью, малой хрупкостью. Термореактивные пластмассы после отверждения и перехода в термостабильное состояние отличаются хрупкостью, могут дать усадку до 15%. Поэтому в состав этих пластмасс вводят усиливающие наполнители.

По виду наполнителя, различают пластмассы: порошковые (карболиты) - с наполнителем в виде древесной муки, графита, талька... Волокнистые - с наполнителем из: очесов хлопка и льна (волокниты); стеклянных нитей (стекловолокниты); асбеста (асбоволокниты). Слоистые - с листовым наполнителем: бумажные листы (гетинакс); хлопчатобумажные ткани, стеклоткани, асбестовые ткани (текстолит, стеклотекстолит, асботекстолит). Г азонаполненные - с воздушным наполнителем (пенопласты, поропласты). Особенностями пластмасс являются: малая плотность; низкая теплопроводность; большое тепловое расширение; хорошие электроизоляционные свойства; высокая химическая стойкость; хорошие технологические свойства

Билет 27 Паянием называют процесс, жесткого соединения металлических деталей путем расплавления присадочного материала припоя, имеющего температуру плавления более низкую, чем температура плавления основного металла. Соединение с помощью припоя основано на взаимном растворении и диффузии основного металла и припоя. Такой процесс протекает наиболее благоприятно, если основной металл и припой имеют химическое и физическое сродство. Прочность соединения припоем зависит от величины поверхностей, соединяемых пайкой, чистоты этих поверхностей, зазора между дета-лями, структуры образовавшегося паечного шва, а затем и устойчивости к коррозии основного сплава и припоя.Уменьшение линейных размеров изделия особенно заметно при соединении нескольких деталей, когда суммарная усадка припоя в паечных швах может достигать размеров, при которых конструкция оказывается заметно укороченной и часто непригодной. Поверхность металлов, соединяемых пайкой, необходимо тщательно очистить от окислов и загрязнений, препятствующих процессу диффузии и растворению металлов. Флюс . Он защищает спаиваемые поверхности и очищает их от окислов, препятствующих диффузии припоя в основной металл. Спаиваемый металл с припоем может давать,различные виды соединений: твердый раствор, химическое соединение, механическая смесь. Лучшим видом спайки является такая, при которой формируется структура припоя типа твердого раствора. Она происходит между металлами, обладающими наибольшим физико-химическим сродством. Примером может быть паяние меди латунью, золота- золотыми припоями. Структуры типа химического соединения (паяние меди оловом) и механической смеси (паяние стали золотом) не обеспечивают высокой прочности и антикоррозийной устойчивости.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПЙКИ

1) Подготовка поверхности (очистка от жиров и прочей хуетни)

2)Выравнивание (подгонка по поверхности)

3)Защита места пайки флюсом.

4) Лужение (покрытие тонким слоем частей спаиваемых)

5) Прогревание до плавления

6) Фиксация

7) Охлаждение

8) Очистка пайного шва от излишковприпоя флюса и др.

Твердая плавка(медь железо) очень близки к латунным Для пайки твердого припоя с температурой плавления 1000градусов используют гранники (пояльники с открытым пламенем) Флюсы применяют на основе борной кислоты и ее соли

Билет 28 28 . Мартеновский способ производства стали

Мартеновское производство возникло в 1864 г., когда П.Мартен построил первую регенеративную (использующую теплоту отходящих газов) печь, давшую годную литую сталь из твердой шихты. В России первая мартеновская печь была построена в 1869 г. А.А.Износковым на Сормовском заводе. Вплоть до 90-х годов мартеновские печи использовались для производства стали лишь с завалкой твердой шихты и работали по так называемому скрап-процессу. Разработка технологии рудного процесса на жидком чугуне была осуществлена в Украине братьями А.М. и Ю.М.Горяиновыми; они же внедрили плавку по этой технологии в 1894 г. на Александровском заводе в Екатеринославле (ныне Днепропетровский завод им. Г. И. Петровского). В мартеновской печи осуществляется передел загруженной в нее шихты: твердого или жидкого чугуна, стального и чугунного лома с использованием железной руды, окалины, кислорода, флюсов и ферросплавов - в сталь заданного состава, при этом получается побочный продукт плавки - мартеновский шлак. Мартеновская печь

Верхняя часть мартеновской печи (рис. 1) состоит из рабочего пространства (ограниченного ванной4, передней стеной 9, задней стеной 8, сводом 5) и головок, расположенных с обоих концов рабочего пространства. В передней стене находятся загрузочные окна 6, через которые с рабочей площадки загружается шихта, берутся пробы и ведется наблюдение за плавкой. Подина печи имеет наклон к задней стене, в которой находится отверстие для выпуска готовой стали, разделываемое перед выпуском. Через каналы 1, 2, 3 и 7 головок подается газ (топливо) и окислительное дутье и отводятся продукты горения. Нижняя часть печи состоит из двух пар шлаковиков, двух пар регенераторов, подземных каналов с перекидными клапанами и дымового борова, соединенного с дымовой трубой или котлом - утилизатором. Шлаковики и регенераторы расположены попарно и симметрично по обе стороны печи. Сечение через воздушный шлаковик 11 и газовый шлаковик 10 сделано в одной плоскости с сечением рабочего пространства, а сечение через воздушный регенератор 12 и газовый регенератор 13 - в другой плоскости: шлаковики находятся под головками, а регенераторы под рабочей площадкой. Регенераторы служат для нагрева воздуха и горючего газа, поступающих в рабочее пространство при температуре 1000-1150°. Необходимость нагрева вызвана тем, что в рабочем пространстве должна быть обеспечена температура до 1700° и более, если же предварительного нагрева дутья и газа не производить, то температура в печи будет недостаточна для нагрева и последующего плавления мягкой стали. Камеры регенераторов заполнены насадкой в виде решетчатой кладки из огнеупорного кирпича. Регенераторы работают попарно и попеременно: в то время как одна пара нагревает дутье и газ, другая аккумулирует (запасает) теплоту отходящих продуктов горения; по охлаждении регенераторов до нижнего предела либо по достижении верхнего предела нагрева регенераторов, аккумулирующих теплоту, происходит перемена направления движения газов посредством перекидки клапанов. Шлаковики расположены между головками и регенераторами; они служат для собирания пыли и капель шлака, которые выносятся продуктами горения. Для нагрева мартеновских печей, работающих на машиностроительных заводах, применяется также жидкое топливо (мазут). Мазут в рабочее пространство вводится с помощью форсунки и распыляется струей воздуха или пара под давлением 5-8ати. Печи, работающие на мазуте, оборудуются только двумя регенераторами (и соответственно двумя шлаковиками) для подогрева окислительного дутья по одному с каждой стороны. Мартеновские процессы и печи разделяют на основные и кислые в зависимости от характера процесса и, соответственно, материала футеровки подины и стен. Плавка стали на шихте, содержащей фосфор и серу в количестве, превышающем допустимое в готовой стали, производится основным процессом, т.е. под основным шлаком и в печах с основной футеровкой. Ванна основных печей футеруется обожженным доломитом или магнезитом. Для кладки свода рабочего пространства, головок и стен шлаковиков применяют магнезитохромитовый кирпич, имеющий высокую стойкость. В небольших печах, а также при отсутствии магнезитохромитового кирпича, свод печей делается из динасового кирпича. Для плавки стали под кислым шлаком применяются кислые печи с футеровкой из динасового кирпича и кварцевого песка. Помимо стационарных мартеновских печей, применяются также качающиеся мартеновские печи. Верхняя часть качающейся печи опирается на систему роликов. Между торцовыми стенками рабочего пространства и головками имеются небольшие щели, обеспечивающие возможность поворота корпуса печи. Посредством поворотного механизма осуществляется наклон до 15° в сторону рабочей площадки для скачивания шлака, или на 30-33° в сторону выпускного отверстия для выпуска стали. Продолжительность службы мартеновской печи (ее кампания) определяется числом плавок, выдерживаемых сводом рабочего пространства; она составляет обычно для печей с динасовым сводом 250- 300 плавок (при большой емкости) или 400-500 плавок (при малой и средней емкости), а для печей с хромомагнезитовым сводом 700 и более плавок. В мартеновских печах выплавляют углеродистую конструкционную сталь, а также легированную сталь различных марок.

В промышленном производстве для создания наиболее качественных материалов очень часто используют комбинации из нескольких химических элементов. Особенно распространен такой подход в металлургии, где получаемые сплавы способны работать в таких условиях, которые неподвластны чистым металлам.

Соединения нескольких элементов позволяет добиться уникальных свойств, которые необходимо в той или иной отрасли. Одним из наиболее распространенных сплавов является сталь. Она получается в результате соединения железа с углеродом. Также в массовую долю материала входит незначительное количество примесей. При необходимости в сплав вводят легирующие присадки или покрывают поверхность металла защитным слоем.

Химический состав стали

Свойства и характеристики стали зависят от количественного состава химических элементов в ее структуре. Углерод придает материалу твердости и вязкости, но его повышенное содержание приводит к хрупкости и ухудшает свариваемость. Наиболее качественная сталь получается после обработки отжигом, когда углерод внедряется в структуру металлической решетки железа на молекулярном уровне и образует устойчивое соединение цементит. Содержание кремния в сплаве повышает текучесть и прочность, а также упругость. Но избыток этого элемента ухудшает свариваемость и ударную вязкость. Марганец массовой долей до 2% позволяет повысить прочность материала. При большем процентном содержании сварка становится затруднительной.

Хром защищает сталь от окисления и значительно продляет срок ее эксплуатации. Но при неправильной термической обработке образует карбид, который препятствует сварке. Никель улучшает пластичность, вязкость и ковкость, а также является одним из немногих элементов, повышенное содержание которых не приводит к побочным эффектам. Молибден повышает термическую стойкость стали, а также предельно допустимые нагрузки, поэтому, активно используется в качестве присадок в конструкционных сплавах.

Ванадий улучшает вязкость и упругость, активно способствует процессу закалки, но ухудшает свариваемость. Вольфрам добавляет материалу твердости и стойкости при работе с высокими температурами. Титан повышает коррозийную стойкость стали, но его избыток может приводить к горячим трещинам при сварке. Медь повышает коррозионную стойкость и ковкость металла и не несет негативных эффектов при избытке. Кроме перечисленных элементов, наделяющих сталь положительными свойствами, есть и вещества, чье присутствие несет только негативную нагрузку.

Сера повышает ломкость материала при высоких температурах и затрудняет свариваемость. Фосфор влияет на повышение параметра ломкости при нормальных температурах и тоже ухудшает свариваемость. Азот, кислород и водород отрицательно влияют на прочность и приводят к быстрому старению стали. Содержание негативных элементов должно сводиться к минимуму, чтобы качество материала удовлетворяло потребностям рынка.

Характеристики стали

Твердость стали зависит от массовой доли углерода, а также количества специальных присадок. В основном твердые материалы используются в тех случаях, когда они не будут находиться под воздействием динамической нагрузки, так как с твердостью обычно повышается и хрупкость сплава. Предел прочности стали на растяжение составляет 60 килограммосил на миллиметр квадратный. Остальные значения прочностей напрямую зависят от марки материала. Стойкости к определенному виду негативного воздействия достигаются при помощи закалки металла или введения в сплав нужных присадок.

Предел прочности стали всегда отражается в маркировке, чтобы покупатель мог быстро выбрать нужный ему материал. Удельное сопротивление стали варьируется от 0,103 до 0,137 Ом*миллиметр в квадрате/метр. Величина зависит от количественного содержания химических элементов в сплаве. Для электротехнических сталей показатель сопротивления составляет 0,25-0,6 Ом*миллиметр в квадрате/метр. Столь высокое значение по сравнению с обычной сталью объясняется условиями эксплуатации и соответствует техническим требованиям. Расчетное сопротивление стали может быть разным даже для одной партии изделий, так как количество примесей распределяется не равномерно по всей структуре сплава.

Стальные проводники на практике применяются очень редко, так как есть металлы, обладающие гораздо лучшими параметрами, необходимыми для использования в электротехнике. А вот электротехническая сталь является одним из основных материалов, применяемых при изготовлении корпусов электроприборов и трансформаторов. Теплопроводность стали находится на высоком уровне, что позволяет с успехом использовать материал в отопительных системах. С ростом температуры этот показатель несколько снижается, но общие потери не критичны по сравнению с затратами энергии. Конечно, есть металлы и сплавы с гораздо более высокими параметрами теплопроводности, но их использование является нерентабельным ввиду больших затрат на их производство.

Удельная теплоемкость стали составляет 0,462 килоджоуля/килограмм*Кельвин. Это является неплохим показателем для металла. Данная характеристика показывает, сколько тепловой энергии необходимо передать телу, чтобы его температура изменилась на один градус. То есть, чем меньше этот показатель, тем быстрее нагревается вещество. Фактическое значение теплоемкости стали позволяет еще раз доказать оправданность ее использования в отопительных сетях. К тому же сталь очень хорошо сохраняет полученное тепло и медленно остывает, так что на поддержание температуры на нужном уровне понадобится меньше топлива.

Коэффициент трения сталь-сталь в состоянии покоя составляет 0,15 без использования смазки и 0,1 с ней. При скольжении этот параметр составит 0,15 и 0,05 соответственно. Химические свойства стали зависят от количественного и качественного содержания элементов в сплаве. При необходимости эксплуатации материала в агрессивной среде в его состав вводятся дополнительные присадки, позволяющие не допустить или сильно замедлить протекания разрушительных химических реакций.