Технологичность_Л2_материалы.ppt

целым комплексом свойств:
высокие прочностные характеристики,
повышенная коррозионная стойкость,
жаропрочность,
теплопроводность,
электропроводимость,
тугоплавкость,
способностью сохранять эти свойства

в условиях длительной работы под нагрузками

низкими прочностными свойствами, поэтому применяют главным образом их сплавы.
Сплавы

на основе
железа в зависимости от содержания в них углерода называют сталями или чугунами;
на основе алюминия, магния, титана и бериллия, имеющих малую плотность, - легкими цветными сплавами;
на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута и других металлов - легкоплавкими цветными сплавами;
на основе меди, свинца, олова и др. - тяжелыми цветными сплавами;
на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и др. - тугоплавкими цветными сплавами.

строение: атомы расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки
а -

объемно-центрированная кубическая, б - гранецентрированная кубическая, в - гексагональная

которой атомы расположены по вершинам элементарной ячейки и один в

ее центре (W, Mo, V, Nb, Fe-a, Сr, К, Na, Mn-а и др. (рис. а);
кубическая гранецентрированная (ГЦК), в которой атомы расположены по вершинам элементарной ячейки и в центрах ее граней (Сu, Ni, Fe-y, Ag, Al, Pt, Са и др. (рис. б);
гексагональная плотноупакованная (ГПУ), представляющая собой шестигранную призму, в которой атомы расположены в три слоя (Mg, La, Ti, Cd, Os, Ru и др.) (рис. в).

металлы в твердом состоянии в различных температурных интервалах приобретают разные

кристаллические решетки, что всегда приводит к изменению их физико-химических свойств.
Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Перестройка кристаллических решеток при критических температурах называется полиморфными превращениями.
Всем кристаллам присуща анизотропия, т.е. неравномерность свойств по направлениям, определяемая различными расстояниями между атомами в кристаллической решетке.

элементов.
Элементами сплава могут быть металлы и неметаллы.
Элементы сплава называются

компонентами.
В сплаве кроме основных компонентов могут содержаться примеси.
Примеси:
полезные, улучшающие свойства сплава,
вредные, ухудшающие его свойства.
случайные, попавшими в сплав при его приготовлении,
специальные, введенные для придания сплаву требуемых свойств.
Кристаллическое строение сплава сложнее, чем чистого металла, и зависит от взаимодействия его компонентов, которые при кристаллизации образуют фазы - однородные объемы, разграниченные поверхностями раздела.
Компоненты в твердом сплаве могут образовывать твердый раствор, химическое соединение и механическую смесь.

В твердом растворе один из входящих в состав сплава компонентов

сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а второй в виде отдельных атомов распределяется внутри кристаллической решетки, несколько изменяя ее размеры, но не меняя формы. Атомы растворяющегося вещества или замещают в кристаллической решетке часть атомов растворителя (твердый раствор замещения), или размещаются между атомами металла растворителя (твердый раствор внедрения).
Химическое соединение - компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, при этом образуется новая кристаллическая решетка, отличная от решеток составляющих компонентов.
Механическая смесь - компоненты сплава обладают полной взаимной нерастворимостью и имеют различные кристаллические решетки. При этих условиях сплав будет состоять из смеси кристаллов составляющих его компонентов. Механическая смесь имеет постоянную температуру плавления.

из комплекса свойств, которые подразделяют на механические, физико-химические, технологические и

эксплуатационные.
К основным механическим свойствам относят
прочность,
пластичность,
ударную вязкость,
усталостную прочность,
ползучесть,
твердость
износостойкость.

вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.
Напряжение - это сила,

отнесенная к площади поперечного сечения, МПа:
σ = P/F,
где Р - сила, МН; F - площадь поперечного сечения, м2.

Деформация - это изменение формы и размеров тела под влиянием воздействия внешних сил или в результате процессов, возникающих в самом теле (например, фазовых превращений, усадки и т.п.).
Деформация может быть упругая (исчезающая после снятия нагрузки) и пластическая (остающаяся после снятия нагрузки). При увеличении нагрузки упругая деформация переходит в пластическую; при дальнейшем повышении нагрузки происходит РАЗРУШЕНИЕ ТЕЛА.

под действием статических или динамических нагрузок. Прочность определяют с помощью

специальных механических испытаний образцов, изготовленных из исследуемого материала.
Для определения прочности при статических нагрузках образцы испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытания на растяжение обязательны. Прочность при статических нагрузках оценивается временным сопротивлением σв и пределом текучести σт; σв - это условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца; σт - напряжение, при котором начинается пластическое течение металла.

материалов изменять форму под действием нагрузки, и возвращаться в исходное

состояние после снятия нагрузки.
Пластичность – способность материала приобретать необратимые изменения формы под действием нагрузки.
Для того чтобы исключить влияние размеров и форм испытываемых деталей на результат испытания:

1. Испытания проводят на стандартных образцах;

относительную деформацию


L0 – начальная длина рабочей части;
L – длина рабочей

части под действием усилия.

Видео

испытаний на растяжение строят диаграммы растяжения.



а - характеризует процесс

деформирования образца; б - характеризует деформирование материала образца
σПЦ – предел пропорциональности – максимальное напряжение, до которого материал деформируется строго упруго, то есть соблюдается закон Гука σ = εE, где E – модуль упругости.
σ0,2 – условный предел текучести – это напряжение, вызывающее пластическую деформацию равную 0,2 % = εПЛ.
σТ – физический предел текучести – это напряжение, при котором происходит значительное увеличение пластической деформации, при этом напряжение остается постоянным (присутствует не у всех металлов).
σВ – предел прочности – это максимальное напряжение, которое выдерживает материал не разрушаясь – основная характеристика механической прочности.

при статическом вдавливании.
Измерение твердости осуществляется следующим образом: в плоскую поверхность

исследуемого образца с заданным усилием вдавливается специальный наконечник – индентор. О твердости судят либо по площади полученного отпечатка, либо по глубине вдавливание индентора.

диаметра 2,5; 5 или 10 мм.
Твердость по методу Бринеля:




P

– усилие вдавливания, D – диаметр шарика, d – диаметр полученного отпечатка, измеряемый после удаления индентора.
Достоинства метода: высокая универсальность, то есть способность к измерению материалов с разной структурой.
Недостатки метода: можно измерять твердость только относительно мягких материалов, также - необходимость дополнительных измерений; необходимость дополнительных расчетов для получения HB приводит к тому, что метод не оперативный.

с разной структурой.
Недостатки метода: можно измерять твердость только относительно мягких

материалов, также - необходимость дополнительных измерений; необходимость дополнительных расчетов для получения HB приводит к тому, что метод не оперативный.
Средства измерения: специальные прессы – твердомеры, которые развивают строго определенное усилие вдавливания, являющееся стандартным. За счет изменения диаметра индентора, можно измерять твердость материалов в широком диапазоне.

вдавливания индентора. В качестве индентора используется алмазный конус с углом

при вершине 120 град. Метод предназначен для определения твердости закаленной и отпущенной стали (HRC), для измерения твердости очень твердых материалов (HRА), а также этим методом можно измерить твердость мягких материалов (HRВ).
Нагружение в три этапа:
а) предварительное малое усилие P0 для обеспечения контакта с образцом;
б) основное нагружение усилием P = P0 + Pраб;
в) снятие рабочего усилия Pраб. Остается P0 для обеспечения контакта с образцом.

3-м этапе нагружения. Для метода Роквелла характерна высокая оперативность.
Для повышения

универсальности существуют три шкалы.
Разным шкалам соответствуют разные рабочие усилия, что позволяет измерять материалы с разными характеристиками твердости.

измерения твердости тонких образцов из-за высоких усилий
9,8 Н

измерении твердости по Виккерсу в качестве индентора используется четырехгранная пирамида с углом при вершине 136 град. Нагрузка составляет 5, 10, 20, 30, 50, 100 кг. Значение твердости рассчитывается по формуле:
где D – диагональ отпечатка, k – размерный коэффициент.
Недостатки метода: дополнительные измерения и расчеты.
Достоинства метода: возможность измерять тонкие образцы.

нем трещин.
Ударная вязкость измеряется в результате разрушения образцов при испытании

на ударный изгиб.
где Eразр = mg(H – h) – энергия, поглощенная образцом при разрушении; Fизлома – площадь поверхности излома.
Испытания проводят на образцах разного типа с разными надрезами.
Значение КС при испытаниях на разных образцах различно. Это необходимо для определения значения КС материала. Используются три вида образца, чтобы зафиксировать место разрушения.

существует пороговое значение температуры, при которой характер разрушения скачкообразно меняется:

ниже – хрупкое разрушение, малая энергия поглощения; выше – вязкое разрушение, трещины распространяются с трудом.

плавления,
плотность,
температурные коэффициенты линейного и объемного расширения,
электросопротивление
электропроводимость.
Физические свойства сплавов обусловлены их

составом и структурой.
К химическим свойствам относятся способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства.

режущим инструментом.
Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать

заготовки и детали машин.

литейной формы, степенью химической неоднородности по сечению полученной отливки, а

также величиной усадки - сокращением размеров при кристаллизации и дальнейшем охлаждении.
Деформируемость - это способность принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузке.
Свариваемость - это способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества.
Обрабатываемость - свойства металла поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество поверхностного слоя.

или конструкции относят:
износостойкость,
коррозионную стойкость,
хладостойкость,
жаропрочность,
жаростойкость,
антифрикционность материала и др.
Износостойкость - способность материала

сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.
Коррозионная стойкость - сопротивление сплава действию агрессивных кислотных и щелочных сред.

О °С.
Жаропрочность - способность сплава сохранять механические свойства при высоких

температурах.
Жаростойкость - способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.
Антифрикционность - способность сплава прирабатываться к другому сплаву.
Эти свойства определяются в зависимости от условия работы машин или конструкций специальными испытаниями.

его

прочностные,
технологические
и эксплуатационные характеристики.

по химическому составу, качеству и назначению.
По ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ классифицируют главным

образом конструкционные стали, предназначенные для изготовления деталей машин и металлических конструкций. Конструкционные стали делят на углеродистые и легированные.
Углеродистые стали могут быть
низкоуглеродистые: С < 0,09...0,25%;
среднеуглеродистые: С < 0,25...0,45%;
высокоуглеродистые: С < 0,45...0,75%.
Легированные стали условно подразделяют
низколегированные с содержанием легирующих элементов 2,5%;
среднелегированные - от 2,5 до 10%;
высоколегированные - более 10%.

Другие стали, например инструментальные, с особыми физико-химическими свойствами по химическому составу не классифицируются.

По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и стали и сплавы с особыми свойствами: жаропрочные, кислотостойкие, износостойкие, магнитные и др

маркировке указывается способ выплавки и последующей обработки стали).
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:
стали общего назначения содержат до 0,05 % S и 0,04 % Р,
качественные - не более 0,04 % S и 0,035 % Р,
высококачественные -не более 0,025 % S и 0,025 % Р,
особовысококачественные - не более 0,015 % S и 0,025 % Р.
Стали углеродистые обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) обозначаются индексом "Ст" и порядковым номером, например, Ст1, СтЗ, Ст5. Чем выше номер в обозначении стали, тем выше ее прочность и ниже пластичность.
Качественные углеродистые стали согласно ГОСТ 1050-88 маркируются цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: сталь 10, сталь 15,сталь 80. Содержание серы и фосфора в этих сталях не должно превышать 0,035 %.
Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-99) с содержанием углерода более 0,7 % имеют в обозначении букву "У" и цифру, указывающую на содержание углерода в десятых долях процента: У7, У8, ...,У13.

и фосфора подразделяются на
качественные,
высококачественные
особовысококачественные.
В основу маркировки легированных сталей положена буквенно-цифровая

система (ГОСТ 4543-71). Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита: марганец - Г, кремний - С, хром - X, никель - Н, вольфрам - В, ванадий - Ф, титан - Т, молибден - М, кобальт - К, алюминий - Ю, медь - Д, бор - Р, ниобий - Б, цирконий - Ц, азот - А.
Количество углерода указывается в сотых долях процента цифрой, стоящей в начале обозначения; количество легирующего элемента в процентах указывается цифрой, стоящей после соответствующего индекса. Отсутствие цифры после индекса элемента указывает на то, что его содержание менее 1,5 %. Высококачественные стали имеют в обозначении букву А, а особовысококачественые - букву Ш, проставляемую в конце.
Например, сталь 12Х2Н4А содержит 0,12 % С, около 2 % Сг, около 4 % Ni и менее 0,025 % S и Р.
В легированных инструментальных сталях цифра в начале указывает среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание менее 1 %, если равно 1 % или больше, то цифру не ставят, например: сталь ЗХ2В8Ф содержит 0,3 % С, а сталь ХВГ - больше 1 % С.
В маркировке сталей иногда ставят буквы, указывающие на их применение: А -автоматные, Р - быстрорежущие, Ш - шарикоподшипниковые, Э - электротехнические.

высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а также относительной дешевизне

чугуны получили широкое распространение.
Их используют для производства качественных отливок сложной формы при отсутствии жестких требований к габаритам и массе деталей.
В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные чугуны, чугуны с вермикулярным графитом и ковкие чугуны. Высокопрочные чугуны и чугуны с вермикулярным графитом являются разновидностью серых, но из-за повышенных механических свойств их выделяют в особые группы.
Белые чугуны твердые (450 ... 550 НВ), хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Из них изготовляют прокатные валки, лемеха плугов, тормозные колодки и другие детали, работающие в условиях износа.

серые чугуны разделяют на обычные (нелегированные) и легированные. Обозначают серые

чугуны индексами СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30. Цифра в обозначении указывает на предел прочности чугуна при растяжении в 0,1 МПа.

Высокопрочные чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02 ... 0,08%, иногда чистый магний заменяют лигатурами (например, сплавом магния и никеля). Марка высокопрочного чугуна состоит из букв ВЧ и числа, обозначающего уменьшенное в 10 раз значение его временного сопротивления.

В чугунах с вермикулярным графитом структура формируется под действием комплексного модификатора, содержащего магний и редкоземельные металлы. Чугуны с вермикулярным графитом производят четырех марок: ЧВГ 30; ЧВГ 35; ЧВГ 40; ЧВГ 45. Число в марке обозначает уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления.

Ковкими называются чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Ковкие чугуны обозначают индексом и последующими цифрами, первая из которых характеризует прочность, а вторая пластичность КЧ 30-6, КЧ 60-3 и т.д.

обладает высокими теплопроводностью [200 Вт/(м.К)] и электропроводимостью (10-5 См), стоек

к коррозии. Температура плавления алюминия 658 °С.
Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Те и другие могут быть неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой.
К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся дуралюмины (Д16 - Д18), ковочные сплавы (АК6 - АК8) , а также высокопрочные и жаропрочные сплавы сложного химического состава.
Литейные алюминиевые сплавы применяют для изготовления деталей машин и приборов литьем (АК12, АК9ч, АК7ч).


Алюминий применяют для приготовления спеченных алюминиевых сплавов (САС) и спекаемых алюминиевых пудр (САП), из которых изготовляют детали методами порошковой металлургии, позволяющей получать детали с особыми свойствами: коррозионной стойкостью, прочностью, пористостью.

651 °С. Промышленный магний марки Мг96 содержит 99,96% Mg, марки

Мг95 - 99,85% Mg. Магниевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные, не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.
Медь - тяжелый цветной металл, имеет плотность 8940 кг/м3, температуру плавления 1083°С, обладает высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, малым удельным электросопротивлением (7.10-8 Ом.м), высокой теплопроводностью 385 Вт/(м.К), поэтому ее широко используют для изготовления электропроводов, деталей электрических машин и приборов, в химическом машиностроении.
Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни.
Бронзы (ГОСТ 493-79, 613-79) -это сплавы меди с оловом, свинцом, алюминием, кремнием, сурьмой и фосфором.
Латуни - это сплавы меди с цинком с небольшими добавками алюминия, кремния, никеля, марганца (ГОСТ 17711-93, 15527-70).
Медные сплавы обозначают начальными буквами их названия (Л - латунь, Бр - бронза), после чего следуют первые буквы основных названий элементов, образующих сплав, и цифры, указывающие количество легирующего элемента в процентах. Например, ЛЦ40Мц1,5 - латунь, содержащая 40% Zn, 1,5% Мn, остальное Сu.

4500 кг/м3. Временное сопротивление чистого титана σв = 250 МПа,

относительное удлинение δ = 70%.
Обладает высокой коррозионной стойкостью.
Удельная прочность титана выше, чем у многих легированных конструкционных сталей. Поэтому при замене сталей титановыми сплавами можно при равной прочности уменьшить массу детали на 40%.
Титан имеет низкую жаростойкость, так как при температурах выше 500...600°С легко окисляется и поглощает водород.
Титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, из него изготовляют сложные отливки, но обработка его резанием затруднительна.
Для получения сплавов с заданными свойствами титан легируют алюминием, молибденом и др. (ГОСТ 19807-91). Наибольшее применение нашли сплавы, легированные алюминием, например сплав ВТ5 (до5 % А1) с σв= 700...900 МПа, δ = 10...12%. Из этого сплава получают поковки, отливки.
Для получения требуемых механических свойств титановые сплавы подвергают термической обработке (отжигу, закалке и старению) в печах с защитной атмосферой.
Титан и его сплавы используют для изготовления деталей самолетов, в химическом машиностроении, судостроении и других областях.