WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации ГОУ ВПО «Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева» Новомосковский институт (филиал) Сафонов Б.П.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Часть 1 Учебное пособие для студентов заочного факультета специальностей: 210200, 100400, 100700, 190800 изд. 3-е, стереотипное Новомосковск 2008 УДК 669.017 + 621.7 ББК 34 С 217 Рецензенты:

доктор технических наук, профессор Б.В.Жилин (НИ (филиал) ГОУ ВПО РХТУ им. Д.И.Менделеева) кандидат технических наук, доцент В.В.Воспенников (НИ (филиал) ГОУ ВПО РХТУ им. Д.И.Менделеева) Сафонов Б.П.

С 217 Материаловедение и технология конструкционных материалов.

Часть 1. Учебное пособие для студентов заочного факультета. Изд. 3-е, стереотипное / ГОУ ВПО РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковский институт (филиал); Новомосковск, 2008. – 40 с.

В учебном пособии в сжатой форме рассмотрены вопросы: пластическая деформация и механические свойства металлов, теория сплавов, железоуглеродистые сплавы, номенклатура сталей и цветных сплавов, термическая обработка стали.

В учебном пособии рассмотрены также методические вопросы, связанные с выполнением студентами заочного факультета контрольной работы по курсу МиТКМ: построение кривой охлаждения железоуглеродистого сплава, определение содержания углерода в стали по микроструктуре, определение свойств доэвтектоидной стали по правилу Н. С. Курнакова, выбор режима термической обработки стального изделия, маркировка и применение сталей.

Учебное пособие ориентировано на студентов заочного факультета специальностей 210200, 100400, 100700, 190800.

Ил. 8. Табл. 17. Библиогр. список 5 назв.

УДК 669.017 + 621.7 ББК 34 © ГОУ ВПО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Новомосковский институт (филиал), 2008 2 Предисловие В системе общеинженерной подготовки специалистов, в формировании у них инженерного мышления материаловедческая и технологическая подготовка занимает одно из центральных мест.

Для студентов немеханического профиля знание конструкционных материалов, возможностей и особенностей тех или иных технологических методов их переработки в готовые изделия позволяет успешно выполнять конструкторские разработки в рамках курсового и дипломного проектирования.

В данном учебном пособии в сжатой форме рассмотрены вопросы:

пластическая деформация и механические свойства металлов, теория сплавов, железоуглеродистые сплавы, номенклатура сталей и цветных сплавов, термическая обработка стали.

В учебном пособии рассмотрены также методические вопросы, связанные с выполнением студентами заочного факультета контрольной работы по курсу МиТКМ: построение кривой охлаждения железоуглеродистого сплава, определение содержания углерода в стали по микроструктуре, определение свойств доэвтектоидной стали по правилу Н. С. Курнакова, выбор режима термической обработки стального изделия, маркировка и применение сталей.

Введение В курсе МиТКМ изучаются в основном конструкционные материалы, т.е. материалы, применяемые для изготовления конструктивных элементов технических устройств, которые воспринимают силовую эксплуатационную нагрузку (сварные конструкции, силовые детали и упругие элементы).

Материаловедение – наука, изучающая взаимосвязь между составом, строением и свойствами материалов. Применяемые в технике материалы могут быть объединены в следующие группы: металлические, неметаллические и композиционные. В настоящее время в общем машиностроении наибольшее применение получили металлические материалы.

Композиционные материалы находят все большее применение в специальном машиностроении.

Среди металлических материалов львиная доля (~ 90%) приходится на железоуглеродистые сплавы (стали и чугуны). В машино- и приборостроении широко используются также цветные металлы и сплавы на их основе (дуралюмины, силумины, бронзы, латуни и др.). При этом следует помнить, что использование в том или ином случае цветного сплава должно быть обоснованным, поскольку цветные сплавы существенно дороже легированных и особенно углеродистых сталей.

1. Пластическая деформация, рекристаллизация и механические свойства металлов Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных к нему сил. В зависимости от наличия остаточной деформации металла после снятия нагрузки различают упругую и пластическую деформацию. Пластическая деформация металла происходит или по схеме скольжения (Fe, Cu, Al, Mo и др.), или двойникования (Ti, Mg, Be, Zr и др.).

В результате увеличения приложенной нагрузки выше определенного уровня происходит разрушение тела, т.е. разделение его на части под действием приложенной нагрузки.

Разрушение бывает хрупким и вязким. Хрупкое разрушение происходит без предшествующей пластической деформации. Это наиболее опасный вид разрушения, т.к. хрупкое разрушение деталей происходит внезапно и часто приводит к аварийным отказам оборудования с катастрофическими последствиями.

Механическими свойствами называются свойства металла, определяемые либо пластическим деформированием (вдавливание индентора, изгиб и др.), либо разрушением (растяжение, ударный изгиб и др.) специального образца на специальном оборудовании (твердомер, пресс, разрывная машина, маятниковый копер и др.).

По результатам механических испытаний определяются характеристики прочности, пластичности и вязкости металла (таблица 1).

Таблица 1 Характеристики механических свойств металлов Наименование (раз- Обозначение, формула для Назначение, применимость мерность) определения ГОСТ 1497 Методы испытания на растяжение Условный предел Р0,Для определения допустекучести = 0,каемых напряжений кон( МПа, кгс/мм2) Fструкционных материалов, используемых в расчетах Предел прочности Рmax на прочность деталей ма( МПа, кгс/мм2) = В шин Flk - lОтносительное уд = линение (%) Для оценки надежности lконструкционных матеF0 - Fk риалов Относительное су = жение, (%) FГОСТ 9454 Метод испытания на ударный изгиб Наименование (раз- Обозначение, формула для Назначение, применимость мерность) определения Для оценки надежности.



KU Ударная вязкость Для определения порога KCU= (Дж/см2, кгсм/см2) FН хладноломкости конструкционных материалов ГОСТ 9012 Измерение твердости по Бринеллю Приемосдаточная характеP Твердость по БриHB = ристика металла неллю (МПа, кгс/мм2) Fотп HB<ГОСТ 9013 Измерение твердости по Роквеллу Для мягких материалов HRB HRB 25-Для термообработанных Твердость по Роксталей HRC веллу HRC 20-Для твердых сплавов HRA HRA 70-ГОСТ2999 Метод измерения твердости алмазной пирамидой по Виккерсу Для тонких образцов и Твердость по ВикP HV = упрочненных поверхносткерсу Fотп ных слоев (МПа, кгс/мм2) ГОСТ2860 Испытания на усталость Для деталей, работающих Предел выносливо- = -1 max при циклическом нагрусти при базовом числе циклов жении (МПа, кгс/мм2) нагружения Механические свойства находят широкое применение в инженерной практике при проектном расчете деталей технических устройств (зубчатые колеса, валы, обечайки, днища, фланцы и пр.).

Твердость является самой доступной характеристикой свойств металла. По твердости возможна оценка других механических свойств металла (таблица 2). При использовании формул таблицы 2 следует иметь ввиду, что приведенные эмпирические формулы имеют применение для материалов, оговоренных в таблице.

Таблица 2 Формулы для оценки механических свойств сталей Формула Примечание Углеродистые и низколеги = 0,345НВ В рованные стали HB = 0,2HB 0,HB = 0,367HB - 0. – в относительных едини = 0,25 (1-1,35 ) -1 B цах Углеродистые стали = 0,1HB +100, МПа -Низколегированные стали = 0,1HB +150, МПа -типа 40Х, 40ХН и др.

Для кристаллов существует понятие теоретической прочности, под которой понимают предельное напряжение, предшествующее разрыву межатомных связей. Теоретическая прочность теор кристалла может быть рассчитана по формуле Я.И. Френкеля G (1) теор где G – модуль сдвига металла.

Для железа имеем G = 8470 кгс/мм2, тогда по формуле 1 теоретическая прочность железа составит теор = 1332 кгс/мм2. Техническое железо однако имеет 0,2 = 10 кгс/мм2. Т.е. реальная прочность кристалла меньше теоретически возможной более чем в 100 раз.

Это различие настолько значительно, что были поставлены под сомнение формула Френкеля и сами представления о теоретической прочности.

Для объяснения этого расхождения в первой половине ХХ столетия была разработана (Тейлором и одновременно с ним Орованом и Полани) теория дислокаций, которая связывает прочность металла с его дислокационной структурой.

И.А. Одинг и А.А. Бочвар исследовали влияние плотности дислокаций на прочность кристаллов. Получено, что прочность металлов не является линейной функцией плотности дислокаций (рис. 1).

Как видно из рис. 1 минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокаций крит = 106 … 108 см-2 и относится к отожженным металлам ( 0,2 = 10-5 … 10-4 G). Повышение прочности металла может достигаться созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой («усы» железа имеют В = 1300 кгс/мм2) или повышением плотности дефектов (в том числе и дислокаций), затрудняющих движение дислокаций. Повышение прочности возможно также созданием композиционных материалов.

При увеличении количества дефектов (дислокаций) кристаллического строения свыше крит (см. рис. 1) происходит упрочнение металла. Плотность дислокаций в деформированном металле не должна превышать 1012…1013 см-2. При большей плотности дефектов в металле образуются трещины, приводящие к разрушению.

Во всех случаях упрочнения (наклеп, легирование, термическая и термомеханическая обработка) создаются условия для торможения дислокаций в результате увеличения их плотности (создание дислокационных барьеров), измельчения блоков (увеличение малоугловых границ), образования дисперсных частиц второй фазы (карбидов, нитридов и др. химических соединений).

При легировании и термической обработке упрочнение связано с образованием твердого раствора, гетерогенных структур различной дисперсности или метастабильных структур, например мартенсита.

Пластически деформированный металл запасает 5-10% энергии, затраченной на деформирование. При деформировании увеличиваются прочностные характеристики (НВ, 0,2, В и др.) и понижаются пластические свойства (, ), а также вязкость (КСU).

Металлы интенсивно наклепываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании степени деформации механические свойства изменяются незначительно (рис. 2).

Рис.1. Схема зависимости прочности от плотности дислокаций и других дефектов в металлах (И.А.

Одинг, А.А. Бочвар): 1- теоретическая прочность; 2-4- реальная прочность (2- «усы»; 3- чистые отожженные металлы; 4- сплавы, упрочненные легированием, пластическим деформированием, термической или термомеханической обработкой), В Рис. 2. Зависимость механических В, 0,2, свойств 0,холоднодеформированного металла от степени деформации (схема) пред = При достижении предельной деформации 0,2 и В сравниваются, а относительное удлинение становится равным нулю, дальнейшая деформация при этом приводит к разрушению металла.





Путем деформационного упрочнения (наклепа) НВ и В удается повысить в 1,5…3 раза, а 0,2 в 3-7 раз. При поверхностном пластическом деформировании (обдувка дробью, обкатка роликом и пр.) в поверхностном слое формируются напряжения сжатия, а под ним, на большом расстоянии от поверхности, появятся напряжения растяжения. Сжимающие напряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной трещины и тем самым увеличивают долговечность деталей, работающих при знакопеременных (циклических) напряжениях (валы, зубчатые колеса и др.) Однако наклепанные металлы легче корродируют и склонны к коррозионному растрескиванию. Образование текстуры деформации вызывает также анизотропию свойств металла.

Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением. Снижение пластичности при наклепе улучшает обрабатываемость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, сплавов алюминия и др.).

Неравновесная структура, созданная холодным деформированием, у большинства металлов устойчива при комнатной температуре (исключение составляют легкоплавкие металлы Pb, Sn и др.). При нагреве холоднодеформированного металла он стремится вернуться в состояние до деформации.

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на возврат и рекристаллизацию.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т.е. размер и форма зерен при возврате не изменяется.

Рекристаллизация – это процесс зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются новые, чаще всего равноосные зерна (рис. 3).

В зависимости от температуры нагрева и времени выдержки различают три стадии рекристаллизации: первичная, собирательная и вторичная.

Первичная рекристаллизация начинается с образования зародышей новых зерен и заканчивается полным замещением наклепанного металла новой поликристаллической структурой (рис. 3а-в).

Для начала первичной рекристаллизации необходимы два условия:

• предварительная деформация наклепанного металла должна быть больше критической > крит а) б) в) г) д) Рис.3. Схема изменения микроструктуры холоднодеформированного металла при нагреве:

а – ориентированные по нагрузке зерна деформированного металла;

б- начало первичной рекристаллизации; в- завершение первичной рекристаллизации; г- рост зерна; д- образование равновесной структуры • температура нагрева должна превысить критическое значение t > tкрит Критическая температура tкрит зависит от степени деформации металла (, tкрит) и наличия в нем примесей (примесей, tкрит ). tкрит называется температурным порогом рекристаллизацииtПР.

А.А. Бочвар получил формулу для определения температурного порога рекристаллизации Тпр для технически чистых металлов, подвергнутых значительной деформации Т = 0,4Т, К (2) ПР ПЛ где Т – температура плавления деформированного металла в К.

ПЛ Для алюминия, меди и железа технической чистоты температурный порог рекристаллизации равен соответственно 100, 270 и 4500С. А для таких легкоплавких металлов, как свинец и олово температурный порог рекристаллизации лежит в области отрицательных температур (tПР < 0 С ).

При собирательной (рис. 3г) и вторичной (рис. 3д) рекристаллизации происходит рост зерен. Вторичной рекристаллизации соответствуют высокие температуры нагрева наклепанного металла.

Явление рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путем прокатки, протяжки, волочения и т.п.), его необходимо нагреть выше tПР. Такая термическая обработка металла называется рекристаллизационным отжигом.

При температуре обработки давлением выше tПР упрочнение металла снимается тем быстрее, чем больше перегрев металла по отношению к tПР.

При очень высокой температуре (ковочные температуры) рекристаллизация завершается в доли секунды.

Обработка металла давлением при температурах вышеtПР, когда нет упрочнения металла, называется горячей деформацией. Обработка давлением при температуре ниже tПР вызывает деформационное упрочнение (наклеп) металла и называется холодной деформацией.

Существование одного металла (вещества) в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма, или аллотропии. Различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными, или аллотропическими модификациями. Полиморфные модификации обозначаются греческими буквами,,, и т.д., которые в виде индексов добавляют к символу химического элемента. Самая низкотемпературная модификация имеет индекс, следующая –. Превращение одной модификации чистого металла в другую происходит при постоянной температуре и сопровождается или поглощением тепла ( ), или его выделением ( ).

Так, например, железо ниже 911°С имеет объемноцентрированную кристаллическую решетку и обозначается Fe, в интервале температур 911-1392°С железо имеет гранецентрированную кристаллическую решетку и обозначается Fe. Выше 1392°С железо вновь имеет объемноцентрированную кристаллическую решетку, но обозначается уже Fe.

2. Теория сплавов В технике подавляющая часть конструкционных материалов являются сплавами двух и более компонентов. Основные термины по теме «Теория сплавов» приведены в таблице 3.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.