Макроструктура металів

Макроструктура, мікроструктура, металознавство, твердість

Макроструктура металу (від макро ... і лат. Stuctura - будова), будова металу, видима неозброєним оком або за допомогою лупи, тобто при збільшеннях до 25 разів. М. вивчають на плоских зразках - темплетам, вирізаних з виробу або заготовки, а також на зламах вироби. Для виявлення М. поверхню темплетам ретельно шліфують, потім труять розчинами кислот або лугів. При дослідженні М. можна виявити порушення суцільності металу (раковини, рихлість, газові бульбашки, розшарування, тріщини і т.д.), виявити розподіл домішок і неметалевих включень, форму та розташування кристалітів (зерен) у різних частинах вироби, а іноді навіть особливості будови окремих зерен металу (див. Металографія). Вивчення М. дозволяє зробити висновок про якість заготовки та правильності ведення технологічного процесу при литті, обробці тиском або зварці вироби. У деяких випадках якість металу характеризується видом зламу, що дозволяє встановити, як проходить поверхню руйнування (по тілу або по межах зерен), з'ясувати причини руйнування і т.д.
Мікроструктура металу (від мікро ... і лат. Structura - будова), будова металу, що виявляється за допомогою мікроскопа (оптичного або електронного). Метали і сплави складаються з великого числа кристалів неправильної форми (зерен), найчастіше нерозпізнаних неозброєним оком. Зерна мають округлу або витягнуту форму, можуть бути більшими або дрібними і розташовуватися один щодо одного в певному порядку або випадково. Форма, розміри і взаємне розташування, а також орієнтування зерен залежать від умов їх утворення. Частина мікроструктури металу, що має одноманітне будова, зване структурної складової (наприклад, надлишкові кристали, евтектика, евтектоід, зокрема для залізовуглецевих сплавів аустеніт, ферит, цементит, перліт, ледебурит, мартенсит). Кількісне співвідношення структурних складових сплаву визначається його хімічним складом і умовами нагрівання і охолоджування.
Металознавство - наукова основа вишукувань складу, способів виготовлення і обробки металевих матеріалів з різноманітними механічними, фізичними і хімічними властивостями. Вже народам стародавнього світу було відомо отримання металевих сплавів (бронзи та ін), а також підвищення твердості і міцності сталі за допомогою гарту. Як самостійна наука металознавство виникло і оформилося в 19 столітті, спочатку під назвою металографії. Термін металознавство введений в 20-х гг.20 ст. в Німеччині, причому було запропоновано зберегти термін "металографія" тільки для вчення про макро - і мікроструктурі металів і сплавів. У багатьох країнах металознавство як і раніше позначають терміном "металографія", а також називають "фізичної металургією".
Твердість - опір металів вдавлювання. Твердість металів не є фізичною постійною, а являє собою складне властивість, залежне як від міцності і пластичності, так і від методу вимірювання. Т. м. характеризується числом твердості. Найбільш часто для вимірювання Т. м. користуються методом вдавлювання. При цьому величина твердості дорівнює навантаженні, віднесеної до поверхні відбитка, або обернено пропорційна глибині відбитка при деякій фіксованому навантаженні. Відбиток зазвичай виробляють кулькою з загартованої сталі (методи Брінелля, Роквелла), алмазним конусом (метод Роквелла) або діамантовою пірамідою (метод Віккерса, вимірювання мікротвердості). Рідше користуються динамічними методами вимірювання, в яких мірою твердості є висота відскакування сталевої кульки від поверхні металу (наприклад, метод Шора) або час загасання коливання маятника, опорою якого є досліджуваний метал (Метод Кузнєцова - Герберта - Ребіндера). Числа твердості вказуються в одиницях НВ (метод Брінелля), HV (метод Віккерса), HR (метод Роквелла), де Н від англійського hardness - твердість. Оскільки при визначенні твердості методом Роквелла користуються як сталевою кулькою, так і алмазним конусом, часто вводяться додаткові позначення - В (кульку), С і А (конус, різні навантаження). За спеціальними таблицями або діаграм можна здійснювати перерахунок чисел твердості (наприклад, число твердості по Роквеллу можна перерахувати на число твердості за Бринеллю). Вибір методу визначення твердості залежить від досліджуваного матеріалу, розмірів і форми зразка або вироби та ін факторів.
Твердість вельми чутлива до зміни структури металу. Вимірами мікротвердості користуються при вивченні механічних властивостей окремих зерен, а також структурних складових складних сплавів.
Для відносної оцінки жароміцності металевих матеріалів іноді користуються так званої тривалої твердістю (або мікротвердістю), вимір якої виробляють при підвищеній температурі тривалий час (хвилини, години) накреслити діаграму залізо - цементит.
Рівноважний стан залізовуглецевих сплавів в залежності від вмісту вуглецю та температури описує діаграма стану залізо - вуглець. На діаграмі стану залізовуглецевих сплавів (рис.1) на осі ординат відкладена температура, на осі абсцис - вміст у сплавах вуглецю до 6,67%, тобто до такої кількості, при якому утворюється цементит Fе ₃ С. По діаграмі стану системи залізо - вуглець судять про структуру повільно охолоджених сплавів, а також про можливість зміни їх мікроструктури в результаті термічної обробки, визначальною експлуатаційні властивості. На діаграмі стану Fe - Fе ₃ З прийняті міжнародні позначення. Суцільними лініями показана діаграма стану залізо - цементит (метастабільна, так як можливий розпад цементиту), а пунктирними - діаграма стану залізо - графіт (стабільна).
Розглянуту діаграму правильніше вважати не железоуглеродістиє (Fe - С), а железоцементітной (Fe - Fе ₃ С), так як вільного вуглецю в сплавах не міститься. Але так як вміст вуглецю за змістом цементиту, то практично зручніше всі зміни структури сплавів пов'язувати з різним вмістом вуглецю.
Компоненти системи залізо і вуглець - елементи поліморфні. Основний компонент системи - залізо.
Вуглець розчинимо в залозі в рідкому і твердому станах, а також може утворити хімічну сполуку - цементит Fе ₃ З або бути присутнім у сплавах у вигляді графіту.
У системі залізо-цементит (Fe - Fе ₃ С) є наступні фази: рідкий розчин. тверді розчини - ферит і аустеніт, а також хімічну сполуку - цементит.
Ферит може мати дві модифікації - високо - та низькотемпературну. Високотемпературна модифікація d-Fe і низькотемпературна - a-Fe є тверді розчини вуглецю, відповідно, в d - і a - залозі.

Діаграма стану Fe-C.

Граничний вміст вуглецю в a-Fe при 723 ° С - 0,02%, а при 20 ° С - 0,006%. Низькотемпературний ферит a-Fe за властивостями близький до чистого залозу і має досить низькі механічні властивості, наприклад, при 0,06% С:
s = 250 МПа;
d - 50%;
y = 80%;
твердість - 80 ... 90 НВ.
Аустеніт g-Fe - твердий розчин вуглецю в g-залозі. Гранична розчинність вуглецю в g-залозі 2,14%. Він стійкий лише при високих температурах, а з деякими домішками (Мn, Сr та ін) при звичайних (навіть низьких) температурах. Аустеніт володіє високою пластичністю, низькими межами плинності і міцності. Твердість аустеніту 160 ... 200 НВ.
Цементит Fе ₃ С - хімічна сполука заліза з вуглецем, що містить 6,67% вуглецю. Між атомами заліза і вуглецю в цементиті діють металева і ковалентний зв'язки. Температура плавлення ~ 1250 ° С. Цементит є метастабільній фазою; область його гомогенності дуже вузька і на діаграмі стану він зображується вертикаллю. Час його стійкості зменшується з підвищенням температури: при низьких температурах він існує нескінченно довго, а при температурах, що перевищують 950 ° С, за кілька годин розпадається на залізо і графіт. Цементит має точку Кюрі (210 ° С) і має порівняно високими твердістю (800 НВ і вище) і крихкістю. Міцність його i розтяг дуже мала (s = 40 МПа).
У системі залізо - цементит є дві тонкі механічні суміші фаз - евтектична (ледебурит) і евтектоїдних (перліт).
Ледебурит є сумішшю двох фаз g-Fe + Fе ₃ З, що утворюються при 1130 ° С у сплавах, що містять від 2,0 до 6,67% С, і спостерігається візуально як структурна складова залізовуглецевих сплавів, головним чином, чавунів. Ледебурит має досить високими міцністю (НВ> 600) і крихкістю.
Перліт (до 2,0% С) являє собою суміш a-Fe + Fе ₃ С (у легованих сталях - карбідів), що утворюється при 723 ° С і змісті вуглецю 0,83% у процесі розпаду аустеніту, і спостерігається візуально як структурна складова залізовуглецевих сплавів. Механічні властивості перліту залежать від форми та дисперсності частинок цементиту (міцність пластинчастого перліту трохи вище, ніж зернистого):
s = 800 ... 900 МПа;
d <16%;
НВ 180. ., 220.
Діаграма стану Fe - Fе ₃ С (рис.1) є комбінацією діаграм простих типів. На ній є три горизонталі трифазних рівноваг: перитектического (1496 ° С), евтектичного (1147 ° С) і евтектоїдних (727 ° С).
Всі лінії на діаграмі стану відповідають критичним точкам, тобто температур, при яких відбуваються фазові та структурні перетворення у залізовуглецевих сплавах.
Лінія ABCD - лінія почала кристалізації сплаву (ликвидус), лінія AHJECF - лінія кінця кристалізації сплаву (солидус).
В області діаграми HJCE знаходиться суміш двох фаз: рідкого розчину і аустеніту, а в області CFD - рідкого розчину і цементиту. У точці С при вмісті 4,3% С і температурі 1130 ° С відбувається одночасна кристалізація аустеніту і цементиту і утворюється їх тонка механічна суміш - ледебурит. Ледебурит присутня у всіх сплавах, які містять від 2,0 до 6,67% С (чавуни).
Точка Е відповідає граничному насиченню заліза вуглецем (2,0% С).
В області діаграми AGSF знаходиться аустеніт. При охолодженні сплавів аустеніт розпадається з виділенням по лінії GS фериту, а по лінії SE - вторинного цементиту. Лінії GS і PS мають велике практичне значення для встановлення режимів термічної обробки сталей. Лінію GS називають лінією верхніх критичних точок, а лінію PS - нижніх критичних точок.
В області діаграми GSP знаходиться суміш двох фаз - фериту і розпадається аустеніту, а в області діаграми SEE '- суміш вторинного цементиту і розпадається аустеніту.
У точці S при вмісті 0,8% С і при температурі 723 ° С, весь аустеніт розпадається і одночасно кристалізується тонка механічна суміш фериту і цементиту - перліт.
Лінія PSK відповідає остаточного розпаду аустеніту і утворення перліту. В області нижче лінії PSK ніяких змін структури не відбувається.
Структурні перетворення в сплавах, що у твердому стані, викликані наступними причинами: зміною розчинності вуглецю в залізі в залежності від температури сплаву (QP і SE), поліморфізмом заліза (PSK) і впливом вмісту розчиненого вуглецю на температуру поліморфних перетворень (розчинення вуглецю в залозі сприяє розширення температурної області існування аустеніту і звуження області фериту).
Діаграма стабільної рівноваги Fe - Fе ₃ С, позначена на рис.1 пунктиром, відображає можливість утворення високовуглецевої фази - графіту - на всіх етапах структуроутворення в сплавах з підвищеним вмістом вуглецю. Діаграма стану стабільної системи залізо - графіт відрізняється від метастабільній системи залізо-цементит тільки в тій частині, де в фазові рівноваги бере участь високовуглецева фаза (графіт або цементит).
На діаграмі стану розрізняють дві області: сталі і чавуни. Умови прийнятого розмежування - можливість утворення ледебуріта (гранична розчинність вуглецю в аустеніт):
• сталі - до 2,14% С, не містять ледебуріта;
• чавуни - більше 2,14% С, містять ледебурит.
Залежно від змісту вуглецю (%) железоуглеродістиє сплави отримали наступні назви:
• менше 0,83 - доевтектоїдних сталі;
• 0,83 - евтектоїдних сталі;
• 0,83 ... 2 - заевтектоідние сталі;
• 2 ... 4,3 - доевтектичні чавуни;
• 4,3 ... 6,67 - заевтектичних чавуни.
3 Для заданих матеріалів приведіть склад, властивості та приклади застосування:
25ХГСА, У10А, 25Х13Н2, А20, ВЧ100, АМг2, текстоліт.
Характеристика матеріалу 25ХГСА.

Марка:	25ХГСА
Замінник:	20ХГСА
Класифікація:	Сталь конструкційна легована
Застосування:	відповідальні зварні і штамповані деталі, що застосовуються в покращеному стані: ходові гвинти, осі, вали, черв'яки, шатуни, колінчасті вали, штоки та інші деталі.

Хімічний склад у% матеріалу 25ХГСА.

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.22 - 0.28	0.9 - 1.2	0.8 - 1.1	до 0.3	до 0.025	до 0.025	0.8 - 1.1	до 0.3

Температура критичних точок матеріалу 25ХГСА.

Ac 1 = 755, Ac 3 (Ac m) = 840, Ar 1 = 690

Механічні властивості при Т = 20 ^o С матеріалу 25ХГСА.

Сортамент	Розмір	Напр.	s в	s T	d 5	y	KCU	Термооброб.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м 2	-
Сталь	30	Ц	690	520	25	67	1830	Загартування 890 o C, масло, Відпустка 600 o C, вода,
Сталь	80	Ц	630	400	24	67	1860	Загартування 890 o C, масло, Відпустка 600 o C, вода,
Лист отожжен.			500-700		16
Пруток	Ж 15		1080	835	10	40	590	Загартування 880 o C, масло, Відпустка 480 o C, вода,

Твердість матеріалу 25ХГСА після відпалу,	HB 10 - 1 = 217 МПа
Твердість матеріалу 25ХГСА нормалізованого,	HB 10 - 1 = 149 - 207 МПа

Фізичні властивості матеріалу 25ХГСА.

T	E 10 - 5	a 10 червня	l	r	C	R 9 жовтня
Град	МПа	1/град	Вт / (м · град)	кг / м 3	Дж / (кг · град)	Ом · м
20	2.13		35	7850		306
100	2.06	12.2	36	7830	496	338
200	1.94	13	37	7790	504	415
300	1.87	13.6	37	7760	512	501
400	1.75	14	39	7730	533	573
500	1.68	14.2	34	7690	554	660
600	1.63	14.4	32	7650	584	830
700	1.43	14.5	31	7610	622	1000
800	1.3	12.3	29		693	1100
T	E 10 - 5	a 10 червня	l	r	C	R 9 жовтня

Технологічні властивості матеріалу 25ХГСА.

Зварюваність:	без обмежень.
Флокеночувствітельность:	чутлива.
Схильність до відпускної крихкості:	схильна.

Зварюваність:
без обмежень	- Зварювання виробляється без підігріву і без наступної термообробки
обмежено зварювана	- Зварювання можлива при підігріві до 100-120 град. і подальшої термообробці
трудносваріваемая	- Для отримання якісних зварних з'єднань потрібні додаткові операції: підігрів до 200-300 град. при зварюванні, термообробка після зварювання - відпал

Характеристика матеріалу В10А.

Матеріал	Документ		Замінник 1	Замінник 2	Замінник 3
Сталь У10А	ГОСТ 1435-99		Сталь У12	Сталь У12А
Щільність		7810 кг / м. куб.
Призначення		інструмент-мітчики, рашпилі, надфілі, пили, матриці, калібри, сокири
Модуль пружності		E = 208000 МПа
Модуль зсуву		G = 81000 МПа
Зварюваність		Не застосовується для зварних конструкцій
KVmet		1.000
Xmat		0.100
Температура кування		Почала 1180, кінця 800. Охолодження заготовок перерізом до 100 мм на повітрі, 101-300 мм - у ямі.
Хімічний склад		Кремній: 0.17-0.33, Марганець: 0.17-0.28, Мідь: 0.20, Нікель: 0.20, Сірка: 0.018, Вуглець: 0.96-1.03, Фосфор: 0.025, Хром: 0.20,
Схильність до відпускної здібності		не схильна
Шліфована		гарна

Характеристика матеріалу 25Х13Н2
Хімічний склад у% матеріалу 25Х13Н2.

Механічні властивості при Т = 20 ^o С матеріалу 25Х13Н2.
Фізичні властивості матеріалу 25Х13Н2.
Характеристика матеріалу А20
Хімічний склад у% матеріалу А20.
Технологічні властивості матеріалу А20.
Хімічний склад у% матеріалу АМг2.

Примітка: Al - основа; процентний вміст Al дано приблизно
Механічні властивості при Т = 20 ^o С матеріалу АМг2.
Фізичні властивості матеріалу АМг2.
Технологічні властивості матеріалу АМг2.
4. Вивчіть умови роботи заданих виробів і вимог, що пред'являються до них, виберіть марку матеріалу для їх виготовлення, вибір обгрунтуйте, призначте термічну або хіміко-термічну обробку (якщо вона необхідна).
Болт, станина верстата, протяжка, зварний паливний бак, ємність для самих агресивних речовин.
Болт - [від нижньому. bolt (e)], кріпильна деталь для рознімного з'єднання частин машин і споруд у вигляді стрижня з різьбленням на одному кінці і шести - або чотиригранної голівкою на іншому. Конструкції Б. дуже різноманітні залежно від призначення болтового з'єднання. Б. виготовляють з вуглецевої, низьколегованої або спеціальної сталі, латуні та ін
Протяжка - багатолезових металорізальний інструмент для обробки наскрізних отворів і зовнішніх поверхонь деталей на протяжних верстатах. Залежно від форми оброблюваної поверхні розрізняють П.: циліндричні, грановані (квадратні, шестигранні та ін), шліцьові, шпонкові, зовнішні плоскі, зовнішні фасонні.
У П. для внутрішнього протягування (мал., а) зуби, розташовані на ріжучої частини (поступово підносяться), виконують основну роботу по зрізання припуску. Калібрує П. має від 3 до 8 зубів; перший з них зрізає дуже малий шар металу і додає отвору остаточну форму, інші є запасними (працюють після переточувань П). П. для зовнішнього протягування (мал., би) виготовляються у вигляді прямокутного бруска; мають ріжучу і калібрує частини. Крім ріжучих, застосовують вигладжуючий П., які не ріжуть, а вирівнюють і ущільнюють метал; ущільнений шар має високу зносостійкість. Зуби вигладжуючий П. не мають кутів різання; такі зуби роблять іноді на калібрує ріжучої П.
5. Дайте визначення таким поняттям:
Ліквація, методична піч.
Ліквація - (від лат. Liquatio - розрідження, плавлення) (геол), процес поділу спочатку однорідного магматичного розплаву при зниженні температури на дві різні за складом незмішувані рідини. У результаті кристалізації останніх утворюються різні за складом мінеральні агрегати (гірські породи і руди). У 2-ій половині 19 ст. Л. розглядалася як одна з форм диференціації магми, в результаті якої виникали різні родоначальні магми, що давали початок всьому різноманітності вивержених гірських порід. Надалі, в результаті експериментальних даних по силікатною систем, вивчення металургійних шлаків і стекол, а також петрографічних спостережень, галузі застосування Л. для пояснення геологічних процесів сильно скоротилися. Багато дослідників допускають Л. при утворенні магматичних сульфідних руд (див. Лікваційне родовища, Магматичні родовища). Лікваційне спосіб утворення допускається також у відношенні камерних пегматитів, варіолей в варіолітах, деяких рудообразующих розчинів і ін Явища Л. у силікатних розплавах, особливо в багатих летючими компонентами (фтор, вода, бор), підтверджені експериментально американськими (О. Ф. Татлом і Дж. Фрідманом) і радянськими (Д. П. Григор 'євим, О. А. Єсін, Я. І. Ольшанським та ін) геологами.
Методична піч - прохідна піч для нагрівання металевих заготовок перед прокаткою, куванням або штампуванням. У М. п. заготівлі, укладені поперек печі, пересувають назустріч руху продуктів згоряння палива; при такому протівоточном русі досягається висока ступінь використання тепла, що подається в піч. Заготівлі проходять послідовно 3 теплотехнічні зони: методичну (зону попереднього підігріву), зварювальну (зону нагріву) і томильную (зону вирівнювання температур у заготівлі). Зварювальна зона може складатися з кількох послідовних зон опалення з додатковим підведенням палива в кожну зону. Для заготовок невеликого перерізу томильную зона не обов'язкове. М. п. класифікують за кількістю зон опалення (2 -, 3 -, 4 -, 5-зонні), за способом транспортування нагріваються заготовок (толкательние і з рухомими балками), за конструктивними особливостями (з нижнім обігрівом, з похилим подом і т . д.). М. п. опалюють газоподібним або рідким паливом з допомогою пальників або форсунок, які встановлюють головним чином на торцевих стінах зварювального і томильной зон; рідше пальника розташовують на бічних стінах і склепінні. У М. п. підтримують незмінну в часі і змінну по довжині печі температуру. У зварювальній і томильной зонах температура майже постійна, а в методичній - падає до початку печі. Толкательние М. п. для нагріву заготовок завтовшки до 120 мм роблять з похилим подом, для нагріву більш великих заготовок - з горизонтальним подом. При нагріванні заготовок завтовшки понад 120 мм застосовують нижній обігрів, в результаті чого заготівлі нагріваються з двох сторін. Перспективні М. п. з рухомими балками (див. Піч з простує подом). У таких печах між заготовками є зазор, і вони обігріваються за трьох або чотирьох сторін, завдяки чому нагрів протікає швидше і рівномірніше, зменшується окислення і зневуглецювання металу. М. п. з рухомими балками - високомеханізований агрегат; при ремонтах і зупинках піч легко може бути звільнена від заготовок. При експлуатації таких печей виключені трудомісткі ручні операції з очищення поду. М. п. зазвичай мають рекуператори для нагрівання повітря або повітря і газу, а також котли-утилізатори. Основні характеристики М. п. наведено в табл.
6. Класифікація металорізальних верстатів.
Металорізальні верстати є поширеними виробничими машинами, призначеними для механічної обробки заготовок з металу ріжучими інструментами. Шляхом зняття стружки заготівлі надаються необхідна форма, розміри і чистота поверхні. На електромашинобудівних заводах механічна обробка займає значне місце в загальному процесі виготовлення електричної машини в умовах великосерійного і масового виробництва. У залежності від характеру виконуваних робіт, виду застосовуваних інструментів і форми утвореною поверхні металорізальні верстати поділяються на наступні дев'ять груп:
1) токарні;
2) свердлильні й розточувальні;
3) шліфувальні;
4) комбіновані;
5) зубо-та різбленняобробні;
6) фрезерні;
7) стругальні та довбальні;
8) відрізні;
9) різні. Всередині груп верстати поділяються на типи (моделі). У залежності від технологічних можливостей обробки деталей різних розмірів, форм і від характеру організації виробництва розрізняють верстати:
1) універсальні і широкого призначення, що служать для виконання різних операцій (наприклад, точіння, свердління, нарізування різьблення тощо) і способів обробки (наприклад, фрезерування і розточування отворів) при обробці виробів багатьох найменувань і типорозмірів; такі верстати застосовуються при штучному і дрібносерійному виробництві в ремонтних цехах, майстерень і т.д.2) спеціалізовані, призначені для обробки деталей, подібних за формою, але мають різні розміри; такі верстати використовуються в серійному виробництві;
3) спеціальні, служать для обробки деталей одного типорозміру; верстати такого виду застосовуються у великосерійному і масовому виробництвах.
За масою і розмірами розрізняють верстати: нормальні, мають масу до 10-10 ³ кг; великі - масою від 10 до 30-10 ³ кг; важкі - від 30 до 100-10 ³ кг і унікальні - понад 100 × 10 ³ кг. По точності обробки розрізняють верстати нормальною, підвищеною, високою і особливо пампушки точності (прецизійні).

Список літератури

1. Фетісов Г.П., Карпман та ін - Матеріалознавство і технологія металів, М., Вища школа, 2002р.
2. Нікіфоров В.М. - Технологія металів і конструкційні матеріали, М., Вища школа, 1986р.
3. Адаскін А.М., Зуєв В.М. - Матеріалознавство (металообробка), М., Академія, 2003р.
4. Кузьмін Б.А. - Технологія металів і конструкційні матеріали, М., Вища школа, 1989р.
5. Лахтін Ю.М. - Основи металознавства, М., Металургія, 1988р.