Общая классификация металлических материалов.

Металлы – это вещества, обладающие высокой прочностью, пластичностью, тепло- и электропроводностью, характерным блеском.

Сплавы – тела, образовавшиеся в результате затвердевания жидких систем, состоящих из двух или нескольких компонентов.

Металлы делятся на две группы: черные и цветные. К черным металлам относят железо и его сплавы, к цветным – все остальные. В группу цветных металлов входят благородные (драгоценные) металлы, они основной материал для изготовления ювелирных изделий.

Виды сталей и чугунов.

Сталь – сплав железа с углеродом (до 2,14% С). В сталях постоянно присутствуют примеси, которые попадают при выплавке. К ним относятся: марганец и кремний, которые являются полезными, а так же сера и фосфор, которые являются вредными. Сера вызывает красноломкость стали – хрупкость при горячей обработке давлением. В сталях сера находится в виде сульфита FeS, который образует с железом легкоплавкую эвтектику, отличающуюся низкой температурой плавления (988° С) и располагающуюся по границам зерен. При горячей деформации границы зерен оплавляются и сталь хрупко разрушается. Фосфор вызывает в сталях хладноломкость – хрупкость при низких температурах. Каждая сотая доля фосфора влияет на качество сталей и в зависимости от их содержания стали подразделяются на 4 группы:

1. Стали обыкновенного качества содержат примерное количество серы и фосфора (до 0,045% каждого). Стали обозначают марками Ст 0, Ст 1, ст 2 … Ст 6. Буква С обозначает сталь, цифры – условный номер марки, чем больше число, тем больше содержание углерода. Ориентировочно можно считать, что цифра обозначает содержание углерода в десятых долях процента. Для обозначения степени раскисления добавляют индексы: кп – кипящая, сп – спокойная, пс – полуспокойная (Ст 3 кп, Ст 3 пс);

2. Качественные стали содержат серы и фосфора до 0,035% каждого, регламентированы по химическому составу и механическим свойствам. Маркировки стали обозначаются цифрами, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Стали 08, 20, 25, …, 60. Например, сталь 20 – 0,20% С.

Инструментальные стали содержат 0,7% углерода. Цифра в марке указывает на среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь У7 – 0,7% С, У13 – 1,3% С.

3. Высококачественные стали содержат не более 0,025% Si и Р каждого. Обозначаются буквой А, стоящей в конце марки. Например, У12А.

4. Особовысококачественные стали содержат не более 0,015% S и 0,025% Р. В конце марки стоит буква, указывающая способ переплава. Например, Ш – электрошлаковый, ВДП – вакуумно-дуговой, ЭЛП – электронно-лучевой.

Легированные стали. Легирующие элементы обозначают буквами: Х – хром, Н – никель, Г – марганец, А – алюминий, Д – медь. Первая цифра указывает на средне содержание углерода в стали в сотых долях процента, а цифры, следующие за буквами – процентное содержание этих элементов. Например, 30ХНМ – 0,30% С, 1% Cr, 3%Ni, Mo.

Углеродистые стали.

Основой для определения структурных составляющих углеродистых сталей в равновесном состоянии (после полного отжига) является диаграмма состояния системы «железо-углерод».

Микроструктура стали в равновесном состоянии зависит от содержания в ней углерода.

Микроструктура углеродистых сталей:

а – сталь 20; б – сталь 40; в – сталь У8; г – сталь У12.

По количеству углерода стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали – стали, содержащие от 0,02 до 0,08% углерода. Структура их состоит из феррита в виде светлых зерен и перлита (эвтектоидной механической смеси феррита и цементита) в виде мелких темных зерен. С повышением содержания углерода количество перлита пропорционально увеличивается, а феррита уменьшается. По соотношению площадей, занимаемых в микроструктуре перлитом и ферритом, можно, пользуясь правилом рычага, приближенно определить содержание углерода в стали.

Пример: если перлит занимает примерно 25% площади шлифа, то содержание углерода будет

_{С =} ^{0,8 * 25} _{= 0,20%}

100

Доэвтектоидные сплавы с содержанием углерода до 0,02% называются техническим железом. Его структура состоит из феррита (при С = 0,008%) или из феррита и третичного цементита (в сплавах с С = 0,008 – 0,020%).

Механические свойства технического железа зависят от его чистоты и величины зерна и находятся в пределах: σ_в = 180 – 290 МПа; σ_0,2 = 90 – 170 МПа; δ = 30 – 50 %; KCU = 180 – 250 Дж/см²; НВ = 45 – 80. Малоуглеродистые доэвтектоидные стали по ГОСТ – 1050 – 78 применяются, главным образом, для цементируемых изделий машиностроения. Среднеуглеродистые (стали 30, 40, 50) в термически обработанном виде – для различных машиностроительных деталей.

Эвтектоидная сталь – сталь с содержанием углерода 0,8%, состоит из перлита. Механические свойства перлита зависят от степени измельченности цементита. Среднепластичный перлит имеет следующие механические свойства:: σ_в = 900 МПа; σ_0,2 = 600 МПа; δ = 15 %; ψ = 30%; KCU = 20 Дж/см²; НВ = 200.

Заэвтектоидные стали содержат 0,80 – 2,14% С. Структура – перлит и вторичные цементит, расположенный в виде тонкой светлой сетки (или цепочек светлых зерен) по границам зерен перлита.

Эвтектоидные и заэвтектоидные углеродистые стали применяют для различных инструментов, предназначенных для механической обработки металлов, пластмасс, дерева и других материалов, измерительных и слесарных инструментов и др.

Чугуны.

Чугуны отличаются от стали: по составу – более высоким содержанием углерода; по технологическим свойствам – лучшими литейными качествами, малой способностью к пластической деформации (не поддаются ковке). Чугун дешевле стали. В зависимости от состояния углерода различают:

белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида (цементита);

серый чугун, в которых углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита. В зависимости от формы частиц графита различают:

- обыкновенный серый чугун, в котором углерод находится в виде пластинчатого (червеобразного) графита;

- высокопрочный чугун, в котором углерод находится в форме шаровидного графита;

- ковкий чугун, получающийся в результате отжига отливок из белого чугуна, в котором углерод находится в форме хлопьев графита (углерод отжига).

Белые чугуны.

В зависимости от содержании углерода белые чугуны разделяют на три группы:

1) доэвтектические – с содержанием углерода от 2,14 до 4,3%;

2) эвтектические – с содержанием углерода 4,3%;

3) заэвтектические – с содержанием углерода от 4,3 до 6,67%.

Белые чугуны имеют очень высокую твердость и не поддаются обработке резанием. В машиностроении их применяют только для деталей, подвергающихся обработке шлифованием (Калки, холодной прокатки), или для изделий, используемых без всякой механической обработки (грузы, противовесы, мелящие тела). Термической обработкой белый чугун перерабатывают в ковкий чугун.

Микроструктура белых чугунов:

а – доэвтектические (ледебурит + перлит)

б – эвтектический (ледебурит)

в – заэвтектический (ледебурит + цементит)

Обыкновенные серые чугуны.

В структуре обыкновенного серого чугуна содержится графит пластинчатой (червеобразной) формы, количество и размеры которых изменяются в широких пределах.

По строению металлической основы чугуны разделяют:

- на серый перлитный чугун. Структура его состоит из перлита с включениями графита.

- серый ферритно-перлитный чугун. Структура его состоит из феррита, перлита и включений графита.

- серый ферритный чугун. В этом чугуне металлической основой является феррит, а весь углерод присутствует в форме графита.

Микроструктура серого чугуна:

а – серый перлитный чугун;

б – серый ферритно-перлитный чугун;

в – серый ферритный чугун.

Серые литейные чугуны применяются для станин станков (СЧ10), для цилиндров, коленчатых валов, поршневых колец (СЧ45).

Высокопрочный чугун.

Высокопрочный чугун содержит графит в шаровидной форме.

Прочностные свойства высокопрочного чугуна зависят от структуры металлической основы (перлитная, ферритно-перлитная и ферритная), а также от степени измельченности частиц графита.

Высокопрочный чугун применяют для деталей станков и средне- и высоконагруженных узлов других изделий.

Структура высокопрочного чугуна:

а – ковкого;

б – чугунов с ферритной металлической основой.

Ковкий чугун.

Ковкий чугун получают томлением (графитизирующим отжигом) из белого чугуна следующего состава: 2,4 – 2,8% С; 0,8 – 1,4% Si; 1% Mn; 0,1% S; 0,2% Р; 0,08% Сr.

При высоких температурах (выше 900°С) цементит разлагается с образованием графита хлопьевидной формы (б).

После томления отливок в зависимости от скорости охлаждения, при температуре немного ниже 727°С (точка А₁), получают ковкий чугун с различными структурами металлической основы:

при очень медленном охлаждении – ферритный;

при ускоренном охлаждении – ферритно-перлитный;

при быстром охлаждении – перлитный.

Ковкий чугун применяют для ответственных деталей сельхозмашиностроения и др.

Чугуны маркируются следующим образом: БЧ – белый чугун; СЧ – серый; КЧ – ковкий; ВЧ – высокопрочный. Первое цифровое обозначение после буквы характеризует прочность, второе – пластичность. Если пластичность низкая, то указывается только прочность. Пример, КЧ 45-7, КЧ 80-1, СЧ 18, ВЧ 100.

Специальные чугуны.

К этой группе чугунов относятся жаростойкие, которые обладают окалиностойкостью, ростоустойчивостью и трещиноустойчивостью, жаропрочные, обладающие высокой длительной прочностью и ползучестью при высоких температурах и коррозионно-стойкие чугуны.
Жаростойкость серых чугунов и ЧШГ может быть повышена легированием кремнием (ЧС5) и хромом (ЧХ28, ЧХ32) Эти чугуны характеризуются высокой жаростойкостью (окалиностойкость) до 700-8000С на воздухе в топочных и генераторных газах. Высокой термостойкостью и сопротивляемостью окалинообразованию обладают аустенитные чугуны: высоколегированный никелевый серый ЧН15Д7 и с шаровидным графитом ЧН15Д3Ш. В качестве жаропрочных чугунов используют аустенитные чугуны с шаровидным графитом ЧН19Х3Ш и ЧН11Г7Ш.
Для повышения жаропрочности чугуны подвергают отжигу при 1020- 10500С с охлаждением на воздухе и последующему отпуску при 550-6000С. В качестве коррозионно-стойких применяют чугуны, легированные кремнием ЧС13, ЧС15, ЧС17 и хромом ЧХ22,ЧХ28, ЧХ32. Они обладают высокой коррозионной стойкостью в серной, азотной и ряде органических кислот. Для повышения коррозионной стойкости кремниевых чугунов их легируют молибденом ЧС15М4, ЧС17М3.Высокой коррозийной стойкостью в щелочах обладают никелевые чугуны, например аустенитный чугун ЧН15Д7. Аустенитные чугуны применяют так же в качестве парамагнитных.

Отбеленные и другие чугуны.

Отбеленные – отливки, поверхность которых состоит из белого чугуна, а внутри серый или высокопрочный чугун.

В составе чугуна 2,8…3,6 % углерода, и пониженное содержание кремния –0,5…0,8 %.

Имеют высокую поверхностную твердость (950…1000 НВ) и очень высокую износостойкость. Используются для изготовления прокатных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц.

Для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, хромом и никелем. Отливки из такого чугуна отличаются высокой твердостью и износостойкостью.

Для деталей, работающих в условиях износа при высоких температурах, используют высокохромистые и хромоникелевые чугуны. Жаростойкость достигается легированием чугунов кремнием (5…6 %) и алюминием (1…2 %). Коррозионная стойкость увеличивается легированием хромом, никелем, кремнием.

Для чугунов можно применять термическую обработку.