Технология материалов. Лекции

Из тугоплавких  и легкоплавких металлов перечислены  наиболее распространенные, хотя известны и такие тугоплавкие металлы, как, например, рений Re (3180°С), осмий 0s (3000°С), а из легкоплавких литий Li (180°С), калий К (68°С), рубидий Rb (39°С), цезий Сs (28°С). 

Легкие металлы  имеют плотность не более 2,75 Мг/м3 к ним относится А1, плотность -- 2,7, Сs -- 1,90, бериллий Ве -- 1,84 Мг/м3 и  др. Эти металлы применяют для  производства сплавов, используемых в  конструкциях с ограничениями в массе.

Благородные -- в  электротехнике применяют Аu, Аg, Рt, палладий Рd, а также металлы платиновой группы: иридий Ir, родий Ru, осмий 0s, рутений  Рu. Эти металлы и сплавы на их основе обладают высокой химической стойкостью, в том числе и при повышенных температурах. Их используют в производстве ответственных контактов, выводов интегральных микросхем и других полупроводниковых приборов, термометров сопротивления и термопар, нагревательных элементов, работающих в особых условиях.

Редкоземельные -- лантаноиды; их применяют как присадки в различных сплавах. Сплавы (RМ) металлов группы железа (М) с редкоземельными  элементами (R) являются весьма перспективными магнитотвердыми материалами.

Классифицируются  металлы и по другим признакам, например в электротехнике по значению электропроводности: хорошо и плохо проводящие электрический ток. К хорошо проводящим относится большинство металлов, они хорошо проводят электрический ток и пластичные. К плохо проводящим -- элементы V группы периодической системы Д. И. Менделеева -- это висмут Вi, сурьма Sb, мышьяк Аs, они плохо проводят ток и хрупкие, их иногда называют полуметаллами.

Все металлы и сплавы характеризуются  физическими, химическими, механическими и  технологическими свойствами.

К физическим свойствам металлов относятся: цвет, удельный вес, температура плавления, электропроводность, теплопроводность, расширение металла при нагреве и магнитные свойства. Температура плавления сплавов имеет большое значение в литейном производстве.

К химическим свойствам металлов относятся: окисляемость, растворяемость и коррозийная стойкость. Все перечисленные свойства важны для выбора литейных сплавов, применяемых для отливок деталей, работающих в окислительных средах (колосниковые решетки печей, насосы для перекачивания кислот и т. п.).

К механическим свойствам металлов относятся: прочность, твердость, упругость, вязкость и пластичность. Эти свойства металлов и сплавов  имеют большое значение при использовании  их в машиностроении. Технологические  свойства характеризуются жидкотекучестью, прокаливаемостью, ковкостью, свариваемостью и обрабатываемостью резанием. Эти свойства металлов и сплавов играют важную роль в машиностроении.

К технологическим  свойствам металлов относятся также  литейные свойства металлов и сплавов, характеризующие способность их хорошо заполнять все очертания формы и образовывать плотные отливки при затвердевании. При недостаточной жидкотекучести в отливке, особенно в тонких ее частях, образуются спаи и недоливы. При склонности металлов и сплавов к большой усадке во время затвердевания (кристаллизации) появляются усадочные раковины и большие внутренние напряжения.

Все перечисленные  свойства в необходимых случаях  определяются испытанием металлов и  сплавов в лабораториях с помощью  специальных приборов и установок.

Литейные свойства чугуна и стали и некоторых  цветных металлов и сплавов определяют испытанием на жидкотекучесть. Жидкотекучесть зависит от природы чистых металлов, химического состава сплавов  и температуры их нагрева. Величина жидкотекучести определяется по технологической пробе (рис. 108), т. е. по длине спирального канала трапециевидного сечения, заполненного сплавом в контрольной форме. Чем больше жидкотекучесть сплава, тем большей длины участок будет заполнен до затвердевания. 
 

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ 

Приборы Бринелля и Роквелла, образцы из горячекатаной  и термически упрочненной углеродистой стали и цветных сплавов, эталонные  бруски известной твердости.  

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 

Под твердостью материала понимают его способность сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора). 

Этот вид механических испытаний не связан с разрушением  металла и, кроме того, в большинстве  случаев не требует приготовления  специальных образцов. 

Все методы измерения  твердости можно разделить на две группы в зависимости от вида движения индентора: статические методы и динамические. Наибольшее распространение  получили статические методы определения  твердости.  

Статическим методом  измерения твердости называется такой, при котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием. К статическим методам относят следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу  

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ 

Сущность метода заключается в том, что шарик (стальной или из твердого сплава) определенного диаметра под действием усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, в течение определенного времени вдавливается в испытуемый металл (рис. 1а). Величину твердости по Бринеллю определяют исходя из измерений диаметра отпечатка после снятия усилия. 

При измерении  твердости по Бринеллю применяются  шарики (стальные или из твердого сплава) диаметром 1,0; 2,0; 2,5; 5,0; 10,0 мм. 

При твердости  металлов менее 450 единиц для измерения твердости применяют стальные шарики или шарики из твердого сплава. При твердости металлов более 450 единиц - шарики из твердого сплава. 

Величину твердости  по Бринеллю рассчитывают как отношение  усилия F, действующего на шарик, к площади  поверхности сферического отпечатка А: 

    (1) 

где НВ – твердость  по Бринеллю при применении стального  шарика;

(HBW твердость  но Бринеллю при применении  шарика из твердого сплава), МПа  (кгс);

F – усилие, действующее  на шарик, Н (кгс);

А – площадь  поверхности сферического отпечатка, мм2;

D – диаметр  шарика, мм;

d – диаметр  отпечатка, мм. 

Одинаковые результаты измерения твердости при различных  размерах шариков получаются только в том случае, если отношения усилия к квадратам диаметров шариков  остаются постоянными. Исходя из этого, усилие на шарик необходимо подбирать по следующей формуле: 

     (2) 

Диаметр шарика D и соответствующее усилие F выбирают таким образом, чтобы диаметр  отпечатка находился в пределах: 

        (3) 

Если отпечаток  на образце получается меньше или больше допустимого значения d, то нужно увеличить или уменьшить усилие F и произвести испытание снова.

Коэффициент К  имеет различное значение для  металлов разных групп по твердости. Численное, же значение его должно быть таким, чтобы обеспечивалось выполнение требования, предъявляемого к размеру отпечатка (3).

Толщина образца  должна не менее, чем в 8 раз превышать  глубину отпечатка. 

Метод Роквелла

. Принципиальное  отличие этого метода от рассмотренного  ранее заключается в том, что  твердость определяется не площадью поверхности отпечатка индентора, а глубиной его проникновения в исследуемый образец. В качестве индентора используют алмазный конус при испытаниях твердых материалов и стальной закаленный шарик при испытаниях мягких материалов. Нагрузка при использовании алмазного конуса устанавливается 60 кгс (500 Н) или 150 кгс (1400 Н) в зависимости от твердости материала — большая для менее твердых материалов (например, закаленных сталей), меньшая для материалов с очень высокой твердостью (твердых сплавов, режущей керамики), с тем, чтобы избежать скола алмаза. Стальной шарик вдавливают с нагрузкой 100 кгс (900 Н).

Испытания выполняются  на специальном приборе, имеющем  черную (С) и красную (В) шкалы. Шкала  С используется при испытаниях с  помощью алмазного конуса при нагрузке 60 и 150 кгс, шкала В — для шарика с нагрузкой 60 кгс. Числа твердости обозначаются: HRC — алмазный конус, нагрузка 150 кгс; HRA — алмазный конус, нагрузка 60 кгс; HRB ~ стальной шарик, нагрузка 100 кгс. Число твердости в единицах HRC примерно в 10 раз меньше, чем в единицах НВ, т.е. твердость 30 HRC примерно соответствует 300 НВ. Между значениями твердости по шкалам С и А имеется следующая зависимость: HRC = 2HRA — 104. 

Метод Виккерса. Метод основан на вдавливании четырехгранной алмазной пирамидки с углом между противоположными гранями, равным 136°. Число твердости обозначается HV (кгс/мм2) и определяется отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка. Нагрузка может изменяться в пределах от 1 до 100 кгс (от 10 до 1000 Н). Величина диагоналей определяется с помощью специального микроскопа, встроенного в прибор. Для измерения очень тонких слоев или отдельных фаз сплава используют метод измерения микротвердости при нагрузке от 1 до 500 г (от 0,01 до 5 Н), которая также определяется в единицах HV. Значения твердости (до 450 НВ) по Бринеллю и Виккерсу практически равны. 

4.Классификация  чугунов и сталей

Чугун - железоуглеродистый сплав, содержащий углерода свыше 2,14%. Кроме железа и углерода в состав чугуна входят постоянные примеси — марганец, кремний, сера и фосфор.

Уступая стали  по прочности, пластичности и вязкости, обладая худшей свариваемостью, чугун  превосходит ее по ряду показателей: он дешевле, имеет лучшие литейные свойства и легче обрабатывается резанием. Эвтектическая природа чугуна обусловливает его широкое использование в качестве литейного материала. Однако прокатка чугуна также принципиально возможна.

Структура и  свойства чугунов, а следовательно, и область применения чугунного  литья, зависят главным образом  от условий получения отливок — температуры жидкого металла при заливке, скорости затвердевания отливки, использования модификаторов и т.д. В меньшей степени структура и свойства чугуна зависят от химического состава, поэтому при маркировке чугунов химический состав не указывается. Исключение составляют легированные чугуны, в марке которых приводится массовая доля легирующих элементов.

Отливки из чугуна классифицируют по: состоянию углерода, форме включений графита, структуре  металлической основы, химическому  составу, технологии получения и назначению.

По состоянию  углерода (химически связанный или  структурно свободный) различают белый, серый и половинчатый (отбеленный) чугуны.

В белом чугуне (такое название он получил по цвету  излома) углерод химически связан с железом в виде цементита Fe3С. Белый чугун обладает высокой твёрдостью, хрупкостью и плохой обрабатываемостью резанием. Основная масса белого чугуна идет на переделку в сталь.

В сером чугуне (серый излом) углерод находится  в свободном состоянии в виде графитовых включений. Серый чугун отличается от белого меньшей твёрдостью и хрупкостью, а также хорошей обрабатываемостью резанием. Хорошие литейные свойства серого чугуна играют важную роль при получении отливок.

Половинчатый (отбеленный) чугун характеризуется одновременным наличием в его структуре цементита и графита. Цементит находится в поверхностном слое отливки (охлаждающемся с наибольшей скоростью), а графит - во внутренней полости (сердцевине), охлаждающейся с наименьшей скоростью. Такой чугун имеет высокую износостойкость, но плохо обрабатывается резанием.

По форме графитовых включений различают: чугун серый  с пластинчатым графитом, высокопрочный  с шаровидным графитом, ковкий с  хлопьевидным графитом и чугун с  вермикулярным (червеобразным) графитом.

По типу структуры металлической основы чугун бывает: ферритным, перлитным и ферритно-перлитным.

По химическому  составу чугун подразделяют на нелегированный и легированный.

Нелегированный  чугун содержит железо, углерод и  обычные примеси - кремний, марганец, серу и фосфор. Легированный чугун имеет более сложный химический состав: в качестве легирующих элементов используются никель, хром, молибден, медь и другие элементы, а также кремний и марганец в количестве, превышающем их примесное содержание.

По технологии получения различают обычные или немодифицированные чугуны и модифицированные чугуны.

Модифицирование - введение в расплав чугуна в  небольших количествах специальных  добавок - модификаторов, которые способствуют измельчению пластин графита  или получению частиц графита в форме шара. В результате модифицирования механические свойства чугуна улучшаются: возрастает прочность, пластичность и вязкость.

По назначению различают чугун общего назначения (серый, ковкий, высокопрочный и др.) и специального назначения (антифрикционный, коррозионно-стойкий, жаростойкий, жаропрочный и др.).