Классификация материалов
Традиционно материалы, используемые в приборостроении, подразделяются на электротехнические, конструкционные и специального назначения. Электротехнические материалы характеризуются определенными свойствами по отношению к воздействию электрических и магнитных полей, разрабатываются и производятся для применения в технике. Один из возможных подходов к проблеме классификации свойств материалов иллюстрирует рис. 1.2.
В зависимости от соотношения энергии теплового движения частиц (атомов, ионов или молекул), образующих конкретное вещество, и энергии их взаимодействия все материалы могут находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии. В радиоэлектронике используют и четвертое состояние вещества – плазму, возникающую, в частности, после пробоя газообразных диэлектриков. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое и далее в твердое сопровождается ростом упорядоченности в расположении частиц в пространстве.
В радиоэлектронике широко применяются материалы как с упорядоченным, так и с неупорядоченным строением. В упорядоченном моно- или поликристаллическом твердом материале наблюдается как ближний, так и дальний порядок расположения атомов (ионов). К неупорядоченным конденсированным материалам относятся такие, которые обладают лишь ближним порядком в расположении частиц, находящихся в непосредственной близости. В качестве примеров неупорядоченных конденсированных систем отметим жидкости, аморфные и стеклообразные вещества, сильно легированные полупроводники, неупорядоченные полупроводники и металлические сплавы.
Рис. 1.2. Классификация материалов
Вещества находятся в газообразном состоянии тогда, когда энергия теплового движения частиц превышает энергию их взаимодействия. Такими частицами в газах являются молекулы – реже одноатомные (Не, Ne, Ar, Kr, Xe,Rn), чаще двух-, трех- и многоатомные (N 2 , O 2 , H 2 , CO 2 , H 2 O, CH 4 , C 2 H 6 и т.п.). Молекулы газа находятся в хаотическом постоянном движении. Под действием внешних энергетических воздействий часть молекул ионизируется с образованием ионов и электронов.
В жидком состоянии энергия теплового движения частиц, образующих вещество, сравнима с энергией их взаимодействия. В диэлектриках этими частицами являются молекулы, которые образуют неустойчивые комплексы, непрерывно распадающиеся и вновь образующиеся. Если молекулы полярные, то часть их будет диссоциирована на положительные и отрицательные ионы. В жидкостях имеет место ближний порядок.
Неионизированные газы и недиссоциированные жидкости являются диэлектриками. Сильно ионизированные газы (плазма), расплавы и водные растворы электролитов представляют собой проводники второго рода.
В твердом состоянии энергия взаимодействия атомов (ионов), образующих вещество, значительно превышает энергию их теплового движения. Твердые материалы по структуре могут быть упорядоченными (моно- и поликристаллическими), неупорядоченными (аморфными и стеклообразными) и смешанными.
Монокристаллы – это однородные, анизотропные тела, которые характеризуются как ближним, так и дальним порядком в расположении структурных единиц (атомов, ионов) во всем объеме и состоят из периодически повторяющихся одинаковых кристаллических ячеек. Монокристаллы полупроводниковых материалов являются основой для изготовления интегральных схем.
Поликристаллические материалы состоят из большого числа сросшихся друг с другом мелких кристаллических зерен (кристаллитов), хаотически ориентированных в разных направлениях. Поликристаллы характеризуются наличием как ближнего, так и дальнего порядка в расположении структурных единиц в пределах кристаллического зерна. К поликристаллическим материалам относятся металлы, многие керамические материалы. Поликристаллические тела обычно изотропны. Однако если в ориентации кристалла создать упорядоченность (например, механической обработкой металла, поляризацией сегнетокерамики), то материал становится анизотропным. Такие тела с искусственно созданной анизотропией называются текстурами.
В неупорядоченных (аморфных и стеклообразных) телах в расположении частиц (атомов, ионов или молекул) имеет место только ближний порядок. Они проявляют изотропность физических свойств. Стеклообразные материалы – это затвердевшие жидкости, которые образуются с понижением температуры при сравнительно быстром охлаждении (повышении вязкости), затрудняющем перемещение атомов (ионов), необходимое для формирования и роста кристаллов. К стеклообразным материалам относятся стекла и смолы. Аморфная структура может наблюдаться после разупорядочения (аморфизации) кристаллического материала, например после его облучения ускоренными тяжелыми ионами. Такая операция называется ионной имплантацией и применяется для введения примесей в полупроводниковые монокристаллические подложки.
Смешанные (стеклокристаллические) материалы – частично закристаллизованные неупорядоченные системы. Они состоят из структурных областей как с ближним, так и с дальним порядком. Частично кристаллическую структуру имеют многие полимеры. Стекло определенных составов при выдержке при повышенных температурах начинает кристаллизоваться; благодаря образующимся мелким кристаллам оно теряет прозрачность, превращаясь в стеклокристаллический материал – ситалл.
Химические связи между атомами вещества делят на ионные , атомные (или ковалентные ), металлические и молекулярные . Материалы, полученные из веществ с разными связями, сильно различаются по своим электрическим и другим свойствами.
Ионные связи обусловлены кулоновским притяжением противоположно заряженных ионов. Такие связи наиболее характерны для неорганических диэлектриков, имеющих в своем составе ионы противоположных знаков, например Na + - Сl - , Li + - F - .
Атомные (ковалентные) связи возникают между атомами путем образования общих пар валентных электронов - по одному от каждого атома. Такая пара электронов устойчива в результате обменного взаимодействия при противоположной ориентации спиновых и соответствующих орбитальных магнитных моментов электронов. В отличие от ионной атомная связь имеет направленный характер - она образуется в том направлении, в котором расположена наибольшая плотность объединенных электронов. Поэтому вещества с атомными связями обычно твердые и хрупкие. К ним относятся кристаллы германия, кремния, алмаза, соединения элементов из средних групп таблицы Д. И. Менделеева - SiC, BN. Атомные связи характерны и для молекул таких газов, как Н 2 , О 2 , N 2 , а также молекул многих органических соединений - полиэтилена (С 2 Н 4) n , политетрафторэтилена (С 2 F 4) n и др. (связи между отдельными молекулами этих соединений - молекулярные).
Металлические связи - это связи положительно заряженных ионов металла, образуемые отданными атомами коллективизированными валентными электронами. «Электронный газ» оказывает цементирующее действие на кристаллическую структуру металлов и приводит к их высокой теплопроводности и электропроводности. Ненаправленный характер связи обусловливает высокую пластичность металлов.
Молекулярные связи (Ван-дер-Вальса) существуют в ряде веществ между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями. Межмолекулярное притяжение в этом случае обусловлено согласованным движением валентных электронов в соседних молекулах. В любой момент времени электроны максимально удалены друг от друга и максимально приближены к положительным зарядам. Межмолекулярные силы складываются из трех различных типов взаимодействия: ориентационного (эффект Кеезома), индукционного (эффект Дебая) и дисперсионного (эффект Лондона). При этом силы притяжения валентных электронов положительно заряженными остовами соседних молекул оказываются больше сил взаимного отталкивания электронов внешних орбит. Молекулярные связи удерживают вместе молекулы в твердом водороде (Н 2), азоте (N 2), углекислом газе (СО 2), во многих органических соединениях – полиэтилене, политетрафторэтилене и т.д. Ввиду слабости молекулярных связей эти вещества легко разрушаются при тепловом движении молекул и имеют низкие температуры плавления и кипения.
Особым видом молекулярной связи является водородная связь, осуществляемая через ион водорода (протон), расположенный между двумя ионами (О - - , F - , Cl -) соседних молекул. Водородная связь имеется в воде Н 2 О и некоторых органических соединениях, а также в кристаллах типа КН 2 РО 4 .
По характеру взаимодействия с магнитным полем электротехнические материалы подразделяются на слабомагнитные и сильномагнитные.
Особенности взаимодействия электрорадиоматериалов с электрическим полем лежат в основе их деления на диэлектрики, полупроводники и проводники и рассматриваются в соответствующих разделах настоящего учебного пособия.
Свойства материалов подразделяются на функциональные (служебные), технологические (способность к обработке) и потребительские.
Функциональные свойства материалов можно разделить на механические, химические и физические. Это деление условно, поскольку механика – также раздел физики. Под механическими свойствами подразумевается поведение материала, находящегося под различного рода нагрузками. Под термином “физические свойства” понимается поведение материалов под разного вида воздействиями, включая нагревание, электричество, магнетизм, свет, звук, радиацию.
К технологическим свойствам материалов относятся деформируемость, адгезионная способность, свариваемость, паяемость и др. Среди потребительских свойств материалов наиболее важное значение имеют экономические, экологические, эстетические и др.
Подчеркнем, что свойствами материалов можно управлять путем изменения их состава и структуры.
При конкретном использовании материалов решающее значение имеют вполне определенные свойства или их комбинация. Например, в магнитных устройствах важную роль играет способность материалов усиливать и трансформировать энергию магнитного поля; в устройствах, работающих в электрическом поле, – проводимость, поляризация и другие свойства; в режущих инструментах – твердость и т.д. Общим требованием, предъявляемым ко всем материалам, является их экономичность.
Материалы играют определяющую роль в техническом прогрессе. Выше мы рассматривали пример из области вычислительной техники, когда совершенствование материала и технологии изготовления элементов оборудования из него приводит к радикально новым результатам. Можно привести еще примеры из других областей техники.
Например, изготовление баллонов для хранения газов под давлением. Вес баллона определяется толщиной стенки сосуда, который, в свою очередь, определяется механической прочностью материала. Чем менее прочный материал, тем тяжелее сосуд. Так вот, сосуд для хранения азота, примерно на давление 100 атм, объемом 100 л, изготовленный из стали имеет разный вес в разных странах, где разная технология изготовления стали и, соответственно, разная ее механическая прочность. К примеру вышеупомянутый сосуд в США имеет вес 40 кГ, у нас - 80 кГ, а в Китае - 150 кГ.
Можно привести пример с материалами космических челноков.
Разработка новых электротехнических материалов с улучшенными или новыми эксплуатационными свойствами способствует улучшению эксплуатационных характеристик электротехнических изделий.
Другой пример, более близкий к энергетике. Рабочая напряженность электрического поля в мощном импульсном накопителе энергии (большой конденсатор, в котором в качестве диэлектрика является вода) в американском накопителе «Юпитер» выбирается 150 кВ/см, а в российском накопителе «Ангара» - всего 80 кВ/см. У американцев лучше технология приготовления воды и электродов, следовательно, лучше свойства материала (воды) в накопителе, значит пробой в воде достигается при более высокой напряженности, и можно выбрать большую рабочую напряженность.
Еще более близкий пример - изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно сложна, капризна. Изоляторы получаются довольно громоздкими и тяжелыми. Научились работать со стеклом - появились стеклянные изоляторы. Они легче, дешевле, их диагностика несколько проще. И, наконец последние изобретения - это изоляторы из кремнийорганической резины. Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов ВЛ в условиях внешних атмосферных воздействий, позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.
Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом. Применение кремнийорганической резины позволяет резко удешевить и ускорить строительство. Основой для этого прогресса является разработка и использование для изоляторов новых электротехнических материалов. Легкие изоляторы дают возможность облегчить опоры, тем самым уменьшается ветровая нагрузка, удешевляется изготовление, доставка и монтаж ВЛ.
Например, создание нагревостойких кремнийорганических диэлектриков позволило повысить рабочие температуры электрических машин и тем самым значительно увеличить мощность машины без увеличения ее габаритов и веса.
Появление новых конструкционных материалов и разработка технологий их получения являются объективной необходимостью технического и социального развития общества. Это видно из краткого перечня основных направлений использования новых перспективных материалов:
o для информационных технологий (оптические и магнитные запоминающие системы, электронные приборы, дисплеи);
o для транспортных средств (автомобилестроение, аэрокосмическая техника, железнодорожный и водный транспорт);
o для тепло- и электроэнергетики (электростанции, системы накопления и распределения энергии, системы хранения и транспортировки топлива, системы для возобновления энергии);
o для станкоинструментальной промышленности;
o для медицинской техники (хирургический инструмент, протезы, имплантанты);
o строительные материалы.
Возрастание требований потребителей к свойствам конструкционных материалов можно свести к следующим показателям:
o повышению удельных механических свойств (прочность, упругость и т.п. в расчете на единицу массы или удельного веса), что должно обеспечивать снижение массы изделий и затрат на их эксплуатацию;
o повышению сопротивляемости материала воздействию рабочей среды (температуры, агрессивности среды, радиационному и пучковому излучению и т.п.);
o повышению долговечности (ресурса службы) материала и его надежности в эксплуатации.
Одним из ведущих высокотехнологических потребителей новых металлических материалов является аэрокосмический комплекс. В этом комплексе новые материалы должны обеспечить повышение безопасности полетов, снижение эксплуатационных расходов, в том числе снижение расхода топлива и загрязнения окружающей среды в процессе эксплуатации летательных аппаратов.
Особенно остро стоит проблема повышения ресурса и экологической чистоты двигателей. В настоящее время в России средний ресурс двигателей составляет около 14000 часов по сравнению с 29000 ч двигателей фирмы “Роллс - Ройс” и 30000 ч у двигателей серии CFM - 56. Двигателями CFM -56 оснащены более 70% мирового парка самолетов вместимостью более 100 мест.
Ответственные задачи стоят перед мировой энергетикой. В ближайшие 20 лет мировое производство электроэнергии должно возрасти в два раза при условии повышения экономичности ее производства и снижения вредного воздействия на окружающую среду, что требует использования новых металлических и неметаллических материалов. В системах распределения (передачи) и хранения энергии (накопители) большая роль отводится сверхпроводникам, работающим при температурах выше 20 К и температурах равных 77 К в сильных и слабых магнитных полях. Эти же сверхпроводники перспективны и для транспорта на магнитных подушках.
В автомобилестроении основным направлением развития является создание легких, безопасных, комфортабельных и экологически чистых в эксплуатации моделей. В США средняя масса легкового автомобиля в 1975 году составила 1800 кг, в 1990 г - 1350 кг. Специальной программой PNGV намечено довести эту величину до 750 кг, создав модели с расходом топлива 3,5 литра на 100 км. Аналогичные программы разрабатываются в Европе. Для достижения этих целей должны широко использоваться легкие металлы (Al, Mg, Be) и их сплавы, металлические и неметаллические композиты, металлопены, керамика, интерметаллиды.
На железнодорожном и водном транспорте главными целями развития являются повышение экономичности и экологической безопасности при снижении массы транспортных средств и повышении их энерговооруженности.
Постоянно требуются новые материалы в области информационных технологий, например для компакт - и видеодисков для записи с помощью голубых и зеленых лазеров, что существенно увеличивает емкость дисков. Интенсивно (прирост в год более 50%) развивается производство магнитных запоминающих устройств и продолжается их миниатюризация.
Для достижения вышеуказанных целей разрабатываются новые виды металлических и неметаллических материалов.
Особое внимание уделяется легким цветным металлам и сплавам на их основе; материалам, имеющим мелкодисперсную и ультрамелкодисперсную структуру, монокристаллическим, аморфным и порошковым материалам.
Такие структуры обеспечивают прочностные характеристики иногда на порядок превышающие традиционные значения прочности и придают материалам особые технологические, физические и эксплуатационные свойства.
Материалы с такими структурами служат основой для создания различного рода композиционных материалов, деталей, полученных методами порошковой металлургии и других деталей, обладающих специальными свойствами.
Наиболее часто изделия из указанных металлических и неметаллических материалов изготавливаются методами обработки давлением (прессование, штамповка, выдавливание и т.д.). Поэтому изучение студентами специальности «Обработка металлов давлением» новых металлических и неметаллических материалов, их свойств и возможности применения в различных отраслях народного хозяйства является целесообразным.
1.2 КЛАССИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Исходя из природы конструкционных и инструментальных материалов, их можно разделить на следующие основные группы:
1. Металлические материалы, к которым относятся:
o сплавы на основе железа – чистое железо, стали, чугуны (подробно рассмотрены ранее в курсе «Металловедение»);
o стали и сплавы с особыми физическими свойствами – магнитные и немагнитные стали и сплавы, аморфные сплавы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, сплавы с эффектом памяти формы и т.д.);
o цветные металлы и сплавы – алюминий и сплавы на его основе (деформирующиеся и литейные; упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой), медь и сплавы на ее основе (латуни, бронзы), титан и сплавы на его основе, подшипниковые сплавы и др.
o композиционные материалы с металлической матрицей;
2. Неметаллические материалы:
o полимерные органические материалы – пластмассы (термореактивные и термопластичные), резины;
o композиционные материалы с неметаллической матрицей (стеклопластики, углепластики, оргпластики и др.);
o неорганические материалы (стекло, ситаллы, керамика);
3. Материалы со специальными свойствами - электронные материалы, материалы с особыми оптическими свойствами (волоконная оптика, люминофоры), проводниковые материалы.
Чистое железо - хороший проводниковый материал. Отсюда его применение в радио- и приборостроении. Чистое железо является магнитомягким материалом (легко намагничивается и размагничивается). Получить чистое железо достаточно трудно. По степени чистоты различают технически чистое железо - 0,006 - 0,025% С и химически чистое железо - 0 - 0,006% С.
Стали в свою очередь можно разделить на следующие группы:
· конструкционные стали (углеродистые, легированные, строительные, арматурные, машиностроительные цементуемые и улучшаемые, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, и т.д.);
· инструментальные стали (стали для режущего инструмента, для измерительного инструмента, стали для штампов холодного деформирования, стали для штампов горячего деформирования, твердые сплавы и.т.д.).
Инструментальные стали отличаются от конструкционных более высоким содержанием углерода. Соответственно они имеют более высокую твердость, прочность и более низкую пластичность.
Чугуны можно разделить на белые, серые, ковкие и высокопрочные. Они отличаются друг от друга по структуре и свойствам.
Белые чугуны хрупкие и твердые. Как конструкционный материал, применения не находят. Серые чугуны хорошо работают на сжатие и поэтому применяются для изготовления станин различных станков и другого оборудования. Ковкие чугуны имеют высокую прочность и наряду с этим хорошую пластичность. Применяются ковкие чугуны для деталей, работающих при высоких динамических, статических и вибрационных нагрузках. Высокопрочные чугуны имеют высокую прочность и твердость, хорошие литейные свойства. Применяются для изготовления коленчатых валов, крышек цилиндров, молотовых шаботов, траверс прессов, прокатных валков, корпусов насосов.
Кроме того, возможна классификация конструкционных материалов по свойствам, определяющим выбор материала для конкретных деталей конструкций. Каждая группа материалов оценивается соответствующими критериями, обеспечивающими работоспособность в эксплуатации. Универсальные материалы рассматриваются в нескольких группах, если возможность их применения определяется различными критериями.
В соответствии с выбранным принципом классификации все конструкционные материалы подразделяют на следующие группы:
o материалы, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность (стали);
o материалы с особыми технологическими свойствами;
o износостойкие материалы;
o материалы с высокими упругими свойствами;
o материалы с малой плотностью;
o материалы с высокой удельной прочностью;
o материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды;
ОТВЕТЫ
Материаловедение. Классификация металлов. Атомно-кристаллическое строение металлов. Типы решеток и их характеристики.
2.1. Материаловедение - научная дисциплина о структуре, свойствах и назначении материалов. Свойства технических материалов формируются в процессе их изготовления. При одинаковом химическом составе, но разной технологии изготовления, образуется разная структура, и вследствие - свойства.
Целью материаловедения является изучение закономерностей формирования структуры и свойств материалов методами их упрочнения для эффективного использования в технике.
Основная задача материаловедения - установить зависимость между составом, строением и свойствами, изучить термическую, химико-термическую обработку и другие способы упрочнения, сформировать знания о свойствах основных разновидностей материалов.
2.2. Все металлы условно поделены на черные и цветные. Черные металл обычно имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Некоторые из них (железо, титан, кобальт, марганец, цирконий, уран и др.), обладают полиморфизмом (аллотропией). Наиболее типичным черным металлом является железо.
Цветные металлы имеют красную, желтую, белую окраску. Они обладаю большой пластичностью, малой твердостью, низкой температурой плавления. Известно, что олово имеет полиморфизм. Типичный представитель – медь.
К черным металлам относятся:
− железные металлы – железо, кобальт, никель, марганец;
− тугоплавкие металлы; имеют температуру плавления выше чем у железа, т.е. более 15390С
Титан, ванадий, хром, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам, технеций, гафний, рений;
− урановые металлы (актиноиды) – торий, актиний, уран, нептуний, плутоний и др. (с 89 до 103 элемента);
− редкоземельные металлы (с 57 -71 элементы), лантан, церий, ниодим и д.р.;
− щелочноземельные металлы
Литий, натрий, кальций, калий, рубидий, стронций, цезий, барий, франций, родий, скандий.
К цветным металлам относятся:
− легкие – бериллий, магний, алюминий;
− благородные металлы
Рутений, радий, палладий, осмий, иридий, платина, золото, серебро и полублогородная медь;
− легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, галлий, индий, талий, германий, олово, свинец, мышьяк, сурьма, висмут.
К металлам и сплавам относятся вещества получаемые порошковой металлургией.
Классификация неметаллических материалов:
− органические и неорганические полимеры;
− пластмассы;
− композиционные материалы;
− каучуки и резины;
− клеящие материалы и герметики;
− лакокрасочные покрытия;
− графит;
− стекло;
− керамика.
Диаграмма состояния системы с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии (с эвтектикой).
Рисунок 1 – Диаграмма состояний сплавов с эвтектикой
В этих сплавах компоненты в твердом состоянии нерастворимы друг в друге и химически не взаимодействуют.
Однофазные области диаграммы:
1) жидкость L – выше линии ликвидус DCE;
2) фаза А – линия 0FD;
3) фаза В – линия 100-G-E.
Характерной точкой диаграммы является тройная точка С, ей соответствует эвтектический сплав, содержащий С"% В. Эвтектика в этих сплавах состоит из кристаллов А и В, ее область на диаграмме – линия СС". Линия FCG – линия эвтектического превращения: L эвт –>эвт(А+В). Эта же линия – солидус. Кристаллизация сплавов этой системы начинается на линии DCE с выделения твердых кристаллов компонента, избыточного по отношению к эвтектическому составу, и заканчивается на линии FCG – эвтектическим превращением.
Структурные составляющие сплавов (и их области на диаграмме):
1) кристаллы А – линия 0FD;
2) кристаллы В – линия 100-G-E;
3) кристаллы эвтектики (эвт(А+В)) – линия СС".
Процесс графитизации при отжиге белого чугуна.
Метод Роквелла (ГОСТ 9013)
Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 7.1 б)
Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” (Ø1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.
Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 ктс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р 1 , втечение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой.
В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости А, В, С
Твердость определяется по величине отпечатка (рис.7.1 в).
В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида.с углом при вершине 136º.
Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:
Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.
Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои.Высокая точность и чувствительность метода.
Способ микротвердости применяют для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).
Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс
Метод царапания .
Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала.
Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину.
Динамический метод (по Шору)
Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.
В результате проведения динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов с надрезом (ГОСТ 9454) оценивается вязкость материалов и устанавливается их склонность к переходу из вязкого состояния в хрупкое.
Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.
1. Литейные свойства.
Характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.
Жидкотекучесть – способность расплавленного металла заполнять литейную форму.
Усадка (линейная и объёмная) – характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объём в процессе затвердевания и охлаждения. Для предупреждения линейной усадки при создании моделей используют нестандартные метры с учетом усадки определенного металла...
Ликвация – неоднородность химического состава по объёму.
2. Способность материала к обработке давлением.
Это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок, не разрушаясь.
Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным.
Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определённой высоты и изгиб.
Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.
3. Свариваемость.
Это способность материала образовывать неразъёмные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва.
4. Способность к обработке резанием.
Характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя.
Эксплуатационные свойства
Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.
Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.
Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.
Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.
Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.
Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.
Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.
Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий.
При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства.
Образование аустенита и рост его зерна при нагреве. Перегрев и пережог.
Образование аустенита при нагревании
Диаграмма состояния Fe - С
Переход перлита в аустенит, его кинетика подчиняются основным закономерностям фазовых превращений, протекающих при нагревании.
Экспериментально установлено, что зародыши аустенита возникают на границах феррита с цементитом. Начальные этапы формирования зародышей аустенита экспериментально не изучены и о них имеются лишь предположения. Превращение α о.ц.к. → γ г.ц.к. в чистом железе возможно только при температурах не ниже 911 °С. Если же феррит находится в контакте с цементитом, то в соответствии с диаграммой состояния α - γ-превращение должно идти при температурах, начиная с 727 °С. Аустенит при температуре несколько выше точки А 1 содержит около 0,8%С, в то время как феррит в стали содержит сотые доли процента углерода.
Каким же образом возникает участок фазы с г. ц. к. решеткой и сравнительно высоким содержанием углерода?
Большинство гипотез зарождения аустенита исходит из флуктуационных представлений, причем формально рассматриваются два крайних случая. Во-первых, можно представить, что базой для зарождения аустенита являются флуктуации концентрации. Внутри феррита вероятность образования значительного числа флуктуационных участков критического размера ничтожна, так как атомов углерода здесь очень мало. На границе феррита с цементитом между фазами идет непрерывный обмен атомами (динамическое равновесие) и в приграничном слое (феррита намного больше вероятность флуктуационного возникновения участков критического размера с концентрацией около 0,8%С.
Такие участки при любом самом малом перегреве выше точки А 1 претерпевают полиморфное α - γ-превращение твердого раствора и становятся устойчивыми центрами роста аустенитных зерен. Ниже точки А 1 подобные участки в феррите также могут возникать, но в устойчивые центры роста аустенита они не превращаются, так как γ-peшетка здесь термодинамически нестабильна.
Другое предположение состоит в том, что при зарождении аустенита первичны не флуктуации концентрации, а флуктуационная перестройка решетки. Внутри феррита участки с γ-решеткой флуктуационного происхождения возникают и исчезают, а на границе с цементитом при температурах выше А 1 в эти участки поступает углерод из карбида и если они имеют критический размер, то становятся устойчивыми центрами роста аустенита.
22.2.
Если нагреть металл до верхней критической точки и продолжать повышать температуру, то, рассматривая металл под микроскопом, можно обнаружить рост его зерен.
Чем выше температура, тем энергичнее происходит рост зерен и тем они крупнее, тем продолжительнее процесс нагрева до данной температуры. Металл, имеющий сильно укрупненные зерна, называется перегретым металлом.
В процессе ковки сильно перегретый металл дает рванины и трещины, особенно в углах слитка или заготовки, а в изломе имеет сильно укрупненную структуру, что можно сравнительно легко наблюдать простым глазом. Перегрев зависит от двух факторов: температуры и времени нагрева.
Из практики работы кузнечных печей известно, что если слиток или заготовку продержать в печи при высокой температуре (например, в сварочной части методической печи) больше, чем обычно, то при ковке такого слитка или заготовки получаются рванины вследствие перегрева. Наоборот, слиток, находящийся в печи при той же температуре, но менее продолжительное время, проковывается вполне нормально.
Таким образом, перегрев металла возможен при любой температуре, превышающей критическую точку, но величина перегрева при данной температуре зависит от продолжительности выдержки.
Перегретый металл может быть исправлен последующим отжигом, т. е. медленным нагревом до температуры на 10-30 выше точки, и последующим медленным охлаждением.
Если нагретый металл оставить в печи на длительное время при высокой температуре, то произойдет его пережог. Пережог происходит оттого, что кислород, находящийся в печных газах, проникает с поверхности в глубь металла, границы зерен металла окисляются, а вещество, образовавшееся между крупными зернами, расплавляется. В результате между зернами металла образуются жидкие пленки, связь между зернами нарушается, и металл становится непрочным, на заготовке появляются крупные трещины, и она распадается на части. Дальнейшее нагревание приводит к оплавлению или разрушению отдельных участков заготовки. Пережог зависит в основном от температуры нагрева, состава печных газов и времени нагревания металла при высоких температурах.
Пережженный металл исправить нельзя, заготовка идет обычно в брак, а сохранившийся металл может быть использован только путем переплавки в мартеновской печи.
Для предупреждения пережога металла необходимо при нагреве соблюдать следующие основные условия:
1. Сжигать топливо с наименьшим коэффициентом избытка воздуха так, чтобы в печных газах не было свободного кислорода.
2. Не загружать заготовки на под печи «навалом», а располагать их таким образом, чтобы они по возможности омывались печными газами, а факелы горелок или форсунок не били бы (лизали) поверхность нагреваемых заготовок.
3. Загружать в печь металла можно столько, чтобы ковочный агрегат мог его проковать за время, которое необходимо для нагрева заготовки до ковочной температуры. Лучше загружать печь по штучному способу, т. е. одна-две нагретые заготовки выдаются из печи, а на место их подаются холодные заготовки и т. д. При штучной загрузке продолжительность пребывания металла при высоких температурах будет такой, какая требуется для его нагрева. А это даст возможность избежать перегрева и пережога металла.
Закалка с самоотпуском.
Нагретые изделия помещают в охлаждающую среду и выдерживают до неполного охлаждения. После извлечения изделия, его поверхностные слои повторно нагреваются за счет внутренней теплоты до требуемой температуры, то есть осуществляется самоотпуск (см. Отпуск стали). Применяется для изделий, которые должны сочетать высокую твердость на поверхности и высокую вязкость в сердцевине (инструменты ударного действия: молотки, зубила).
Технология процесса состоит в следующем: Загрузка деталей в стальной ящик с герметичным песчаным затвором. Укладка деталей производится таким образом, чтобы они были покрыты карбюризатором со всех сторон, не соприкасались друг с другом и стенками ящика. Далее ящик герметично закрывается песчаным затвором или замазывается огнеупорной глиной и загружается в печь.
Стандартный режим: 900-950 градусов, 1 час выдержки (после прогрева ящика) на 0,1 мм толщины цементированого слоя. для получения 1 мм слоя - выдержка 10 часов.
При "ускоренном" режиме цементация производится при 980 градусах. Выдержка уменьшается в два раза и для получения слоя 1 мм требуется 5 часов. Но при этом образуется цементитная сетка, которую придется убирать многократной нормализацией металла
Этот процесс осуществляют в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд преимуществ по сравнению с цементацией в твёрдом карбюризаторе, поэтому её широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями.
В случае с газовой цементацией можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненых малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующаятермическая обработка деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.
Быстрорежущие стали
Быстрорежущие стали широко применяют для изготовления режущего инструмента, работающего в условиях значительного силового нагружения и нагрева (до 600–640 °С) режущих кромок. К этой группе сталей относятся высоколегированные вольфрамом совместно с другими карбидообразующими элементами (молибден, хром, ванадий) стали, приобретающие высокие твердость, прочность, тепло- и износоустойчивость в результате двойного упрочнения: а) мартенситного при закалке; б) дисперсионного твердения при относительно высоком отпуске (500–620 °С), вызывающего выделение упрочняющих фаз.
Быстрорежущие стали маркируют буквой «Р» (rapid - быстрый) и числом, показывающим среднее содержание W, а также последующими буквами и цифрами, указывающими другие легирующие элементы и их количество, как в стандартной маркировке легированных сталей. В марках быстрорежущих сталей не указывают углерод и хром (их массовая доля 1 % и 4 % соответственно), а также молибден до 1 % включительно и ванадий в сталях Р18, Р9, Р9К5, Р6М5 и др.
Химический состав быстрорежущих сталей приведен в табл. 6.7.
По основным свойствам быстрорежущие стали подразделяются на пять подгрупп: 1) стали умеренной теплостойкости (типа Р9, Р6М5); 2) повышенной износостойкости (типа Р12Ф3, Р6М5Ф3); 3) повышенной теплостойкости (типа Р6М5К5, Р9К5); 4) высокой износо- и теплостойкости (типа Р18К5Ф2); 5) высокой твердости и теплостойкости с улучшенной шлифуемостью (типа Р9М4К8, В11М7К23).
Вместе с тем эти стали имеют много общих характеристик. Поэтому для упрощения рассмотрения особенностей структуры, свойств и режимов термообработки их можно разделить на три группы по производительности обработки:
· стали нормальной производительности (стали умеренной теплостойкости);
· стали повышенной производительности (стали повышенной тепло- и износостойкости);
· стали высокой производительности (стали высокой тепло- и износостойкости).
· Структура сталей с карбидным упрочнением (стали типа «Р») примерно одинакова для всех групп. После окончательной термообработки (закалка + отпуск) их структура состоит из мартенсита с выделением дисперсных частиц легированных карбидов в основном типа М 6 С и МС. Такая структура обеспечивает теплостойкость инструмента до 600–640 °С.
· Наиболее высокую теплостойкость (до 700–720 °С) имеют высоколегированные сплавы системы Fe-Co-W-Mo с интерметаллидным упрочнением (марки В4М12К23 и В11М7К23). После окончательной термообработки структура этих сплавов состоит из безуглеродистого (или малоуглеродистого) мартенсита с невысокой твердостью (30–40 HRC Э) и мелкодисперсных интерметаллидов (Fe,Co) 7 (W,Mo) 6 , Fe 3 W 2 (Fe 3 Mo 2), (Fe,Co,Ni) 7 (W,Mo) 6 .
· Высокие твердость (HRC Э 68–70) и теплостойкость (720 °С) обеспечиваются: а) более высокими температурами (900–950 °С) начала фазовых превращений, что на 100 °С выше, чем у стали с карбидным упрочнением; б) большими количествами упрочняющих фаз, отличающихся высокой дисперсностью (до 2–3 мкм) и равномерностью распределения в основной матрице .
· Быстрорежущие стали относятся к ледебуритному (карбидному) классу и их структура примерно одинакова. Слитки этих сталей содержат карбидную эвтектику в виде сетки по границам аустенитных зерен (рис. 6.1, а), которая резко снижает обычные механические свойства, особенно пластичность. В процессе горячей обработки давлением (ковка, прокатка) карбидная эвтектика раздробляется и измельченные карбиды более равномерно распределяются в основной матрице (рис. 6.1, б).
· После прокатки или ковки быстрорежущие стали подвергают изотермическому отжигу для уменьшения твердости и облегчения механической обработки. Сталь выдерживают при 800–850 °С до полного превращения аустенита в перлитно-сорбитную структуру с избыточными карбидами
Термическая обработка. Высокую твердость и теплостойкость при удовлетворительной прочности и вязкости инструменты из быстрорежущих сталей приобретают после закалки и многократного отпуска.
Закалка. При нагреве под закалку необходимо обеспечить максимальное растворение в аустените труднорастворимых карбидов вольфрама, молибдена и ванадия. Такая структура увеличивает прокаливаемость и позволяет получить после закалки высоколегированный мартенсит с высокой теплостойкостью. Поэтому температура закалки очень высокая и составляет 1200–1300 °С
Для предотвращения образования трещин и деформации инструмента из–за низкой теплопроводности сталей нагрев под закалку проводят с одним или двумя подогревами в расплавленных солях: первый - при 400–500 °С, второй - при 800–850 °С. Окончательный нагрев также проводят в соляной ванне (BaCl 2) c очень малой выдержкой при Т з: 10–12 с на 1мм толщины инструмента из сталей типа «Р» и 30–60 с для сталей типа В11М7К23. Это позволяет избежать роста аустенитного зерна (не крупнее № 10), окисления и обезуглероживания.
Инструменты простой формы закаливают в масле, а сложной - в растворах солей (KNO 3) при 250–400 °С.
После закалки структура быстрорежущей стали (рис. 6.1, в) состоит из высоколегированного мартенсита, содержащего 0,3–0,4 % С, не растворенных при нагреве избыточных карбидов, и около 20–30 % остаточного аустенита. Последний снижает твердость, режущие свойства инструмента, ухудшает шлифуемость, и его присутствие нежелательно.
Отпуск. При многократном отпуске из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, легированность аустенита уменьшается, и он претерпевает мартенситное превращение. Обычно применяют трехкратный отпуск при 550–570 °С в течение 45–60 мин. Режим термической обработки инструмента из быстрорежущей стали Р18 приведен на рис. 6.2. Число отпусков может быть сокращено при обработке холодом после закалки, в результате которой уменьшается содержание остаточного аустенита. Обработке холодом подвергают инструменты сравнительно простой формы. Твердость после закалки HRC Э 62–63, а после отпуска она увеличивается до HRC Э 63–65.
Поверхностная обработка. Для дальнейшего повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости поверхностного слоя режущих инструментов применяют такие технологические операции, как цианирование, азотирование, сульфидирование, обработку паром и другие технологии поверхностного упрочнения. Их выполняют после окончательной термообработки, шлифования и заточки инструментов.
ианирование осуществляют при 550–570 °С в течение 5–30 мин в жидких средах и 1,5–3,0 ч в газовой атмосфере. Для жидкостного цианирования используют ванны с расплавами NaCN (90 или 50 %), Na 2 CO 3 , NaOH (KOH). Газовое цианирование выполняют в смеси аммиака и науглероживающего газа.
Азотирование инструментов проводится при 550–660 °С продолжительностью 10–40 мин в атмосфере аммиака. Проводят также газовое азотирование в смеси 20 % аммиака и 80 % азота; последнее предпочтительней, так как в этом случае обеспечивается меньшая хрупкость слоя.
Сульфидирование проводят при 450–560 °С, продолжительностью от 45 мин до 3,0 ч в жидких расплавах, например 17 % NaCl, 25 % BaCl 2 , 38 % CaCl 2 , 3–4 % K 4 Fe(CN) 6 , в которые добавляют серосодержащие соединения FeS, Na 2 SO 4 , KCNS.
При обработке паром инструменты помещают в герметичную печь и выдерживают при 300–350 °С под давлением 1–3 МПа в течение 20–30 мин для удаления воздуха. Затем тепература повышается до 550–570 °С, проводится выдержка 30–60 мин, охлаждение в атмосфере пара до 300–350 °С, после чего подача пара прекращается. Заканчивается охлаждение в печи или на воздухе, затем инструмент немедленно подвергают промывке в горячем веретенном масле.
Применение. Грамотный выбор марки стали для конкретного инструмента в зависимости от условий его работы и обрабатываемого материала дает возможность максимально использовать ресурсы свойств выбранной стали и, как следствие, рационально расходовать легирующие материалы, а также определять необходимость тех или иных покрытий, наплавки и других способов поверхностного упрочения. В табл. 6.9. представлены рекомендуемые области применения наиболее распространенных марок быстрорежущих сталей в зависимости от типов обрабатываемых материалов и видов обработки. Такой подход к выбору инструментальных сталей любого назначения способствует повышению как производительности, так и экономичности производства.
ОТВЕТЫ
Роль материалов в современной технике. Об истории развития материаловедения как науки
Материаловедение можно отнести к тем разделам физики и химии, которые занимаются изучением свойств материалов. Кроме того, эта наука использует целый ряд методов, позволяющих исследовать структуру материалов. При изготовлении наукоемких изделий в промышленности, особенно при работе с объектами микро- и нано- размеров необходимо детально знать характеристику, свойства и строение материалов. Решить эти задачи и призвана наука – материаловедение.
Началом развития материаловедения можно считать тот момент, когда человек впервые начал выбирать, что ему взять в руку - палку или камень, то есть зарождение материаловедения совпадает с началом каменного века.
Следовательно материаловедение - это одна из старейших форм прикладной науки, прошедшая вместе с человечеством долгий путь от примитивной обработки камня и изготовления простейшей керамики и заканчивая современными сверхпопулярными нанотехнологиями. Долгое время металлургия и металловедение превалировали в материаловедении, то есть наука о материалах приравнивалась фактически к науке о металлах.
Современное материаловедение также базируется на металловедении, однако помимо металлов и сплавов материаловедение изучает множество других разнообразных материалов как по назначению (пластики, полупроводники, биоматериалы), так и по составу (углеродные материалы, керамика, полимеры и т.д.)