Texti lektsiy Tekhnologiya materialiv dlya SV -..

херсонська державна морська академія
Кафедра технічної механіки, інженерної і комп’ютерної графіки






Моісеєнко Л. Л.

технологія матеріалів

тексти лекцій (20 год.)




Для напряму: 6.070104 – „Морський та річковий транспорт”

Професійне спрямування: Судноводіння

Курс: 1-й – на основі повної загальної середньої освіти
















Херсон – ХДМА – 2014

тексти лекцій
з навчальної дисципліни технологія матеріалів

пояснювальна записка

Тексти лекцій загальним обсягом 20 год. складені доцентом кафедри Моісеєнко Леонтієм Леонідовичем на 2014 – 2015 навчальний рік.
Змістові тексти лекцій складено згідно до робочої програми навчальної дисципліни «Технологія матеріалів» у відповідності до кодексу з підготовки і дипломування моряків та несення вахти та IMO MODEL COURSE 7.03 пункти 3.2.1, 3.2.2.

Загалом, мета і завдання дисципліни – дати загальне уявлення:

про конструкційні матеріали (КМ) та промислові технології;
їх способи виробництва та обробки;
про існуючі методи і можливості оцінки та формування властивостей матеріалів;
поведінки матеріалів в умовах експлуатації;
про актуальні проблеми в експлуатації, про актуальні економічні аспекти використання тих чи інших КМ в транспортній галузі.
Мету професійної підготовки сучасного фахівця формулюють як очікуваний результат – формування професійної компетентності. Професійну компетентність фахівця розглядають як інтегральну характеристику, яка визначає здатність розв’язувати професійні проблеми і типові професійні завдання, які виникають у реальних ситуаціях фахової діяльності з використанням знань, професійного і життєвого досвіду, цінностей і нахилів.
Компетентнісний підхід у підготовці фахівців для напряму: 6.070104 – „Морський та річковий транспорт” дозволяє:
готувати кадри відповідно до динамічних змін ринку, його вимог, що зумовлює мету та зміст професійної підготовки фахівця;
розглядати та деталізувати спільну мету – професійну компетентність як суму певних компетентностей, що до неї ходять;
змістовно, продуктивно та інструментально пов’язує мету, зміст і процес підготовки фахівців.

Компетентність – це, насамперед, підготовленість особистості до розв’язування проблемних задач за реальних нестандартних умов, які можуть бути щоразу іншими. Тобто розвиток компетентності нерозривно пов’язаний з проблемністю навчання та активною діяльністю курсанта. Важливим при цьому є те, що рівень складності завдань повинен відповідати можливостям курсанта, тобто завдання мають бути помірно складними. В інших випадках відбувається втрата курсантом інтересу і сформувати компетентність не вдається.
Насамкінець слід пам’ятати, що розвиток компетентності курсанта відбувається лише у процесі його активної навчальної діяльності.

Структура кожного тексту лекції передбачає: тему лекції, її мету, орієнтовний план, за яким будується зміст програмного матеріалу лекції та стислий текст за темою лекції. До лекції зазначається рекомендована література для самостійної роботи курсантів.

В процесі озвучення текстового матеріалу лекцій можливі коментарі викладача, уточнюючі пояснення та тлумачення, демонстрація наочності та промислових зразків виробів та обладнання, використання набору слайдів-презентацій, навчальних планшетів та плакатів, графічного матеріалу на паперових та електронних носіях тощо.

































Лекція 1. Вступ. Історія розвитку науки про метали, їх кристалічна будова. Кристалізація металів.

Мета: Мета: Ознайомити курсантів із завданням навчальної дисципліни та її місцем і роллю у підготовці фахівців морського та річкового транспорту, сформувати компетенції з основних положень науки про матеріалознавство, сформувати у них компетентність з питань будови кристалічних матеріалів (металів), з’ясувати роль вітчизняних та зарубіжних вчених у розвитку матеріалознавства.

Предмет і зміст курсу, його місце у підготовці фахівців.
Знайомство з рекомендованими джерелами.
Поняття про матеріалознавство, як науку, та його основні положення.
Роль вітчизняних та зарубіжних вчених у розвитку матеріалознавства.
Міжпредметні зв’язки курсу матеріалознавства з навчальними дисциплінами за фахом підготовки.

Рекомендована література
[1. с. 66 – 94, 103 - 114; 2. с. 5 – 15, 66 – 80, 82 – 88; 3. с. 3 – 6; 4. с. 5 – 20; 5. с. 11 – 50; 6. с. 5 – 8, 53 – 55; 7. с. 4 – 6; 8. с. 6 - 9]

Вступ. Предмет і зміст курсу

Навчальна дисципліна “Технологія матеріалів”, яка вивчає закономірності, що визначають будову і властивості металів і сплавів залежно від їх складу та умов обробки, а також технологію одержання і обробку матеріалів тиском, зварюванням, різанням, – одна з основних у переліку загально-технічних дисциплін, що формують підготовку фахівців з морського і річкового транспорту.
За навчальним планом для спеціальності «Судноводіння» передбачено для вивчення зазначеної навчальної дисципліни 72 годин, серед них: лекцій – 20 год., лабораторних робіт – 20 год., самостійна робота – 32 год.; кінцева форма контролю – диференційований залік.
“Технологія матеріалів” ґрунтується на знаннях з фундаментальних дисциплін: фізики, хімії та математики і є підґрунтям для вивчення інших загально-технічних та спеціальних дисциплін, зокрема, технічна механіка; опір матеріалів, деталі машин, теорія машин і механізмів; теорія та будова судна, Стандарти Міжнародної морської організації тощо.
Оволодіння програмного матеріалу з матеріалознавства та технології матеріалів передбачає застосування компетентнісного підходу до підготовки фахівців, що припускає усвідомлення всіма суб'єктами освітнього процесу кінцевої мети своєї діяльності: підготовку фахівця, що володіє як ключовими, так і спеціальними професійними компетенціями, здатного вирішувати різноманітні задачі професійної практики, готового до інноваційної діяльності у фаховій сфері, має високу мотиваційну спрямованість на високопродуктивну працю, усвідомлює суспільну значущість своєї професії.
Компетентність – це здатність встановлювати і реалізувати зв'язок між "знанням - умінням" і ситуацією, тобто це – інтегрована характеристика якостей особистості, результат підготовки випускника академії для виконання діяльності в певних професійних та соціально-особистісних предметних областях (компетенціях), який визначається необхідним обсягом і рівнем знань та досвіду у певному виді діяльності.
Знання з матеріалознавства та технології матеріалів допоможуть майбутнім фахівцям свідомо виконувати експлуатацію суднових енергетичних систем, проводити професійно технічне обслуговування та ремонт суднових машин і обладнання.
Матеріалознавство та технологія матеріалів – комплексна навчальна дисципліна, яку можна розглядати як органічно поєднані дві частини:
1 Основи матеріалознавства (будова та властивості металів і сплавів, їх виробництво та термічна обробка).
2 Технологія конструкційних матеріалів (обробка матеріалів тиском, технологія зварювання, обробка матеріалів різанням).
Матеріалознавство як наука встановлює закономірності, що визначають зв’язок між складом, структурою і властивостями металів і сплавів, та вивчає закономірності їх зміни при механічних, теплових, хімічних, електромагнітних та ін. впливах.
Вперше існування такого зв’язку між будовою сталі і її властивостями (основний закон металознавства: властивості металу визначаються його внутрішньою будовою – структурою) встановив відомий російський гірничий інженер, металург і вчений Павло Петрович Аносов (1799-1851).
Основи наукового матеріалознавства були закладені іншим видатним російським металургом, вченим, «батьком металографії» Дмитром Костянтиновичем Черновим – (1839-1921).
Заслуговує на значну увагу термічна та хіміко-термічна обробка металів і сплавів, як така, що суттєво змінює властивості як матеріалу в цілому, так і готових виробів зокрема.
Технологія конструкційних матеріалів включає в себе поняття металургії (способи виробництва і переробки) та механічної обробки матеріалів, що використовуються у всіх галузях народного господарства і, зокрема, у суднобудуванні.
До металургії відносяться виробничі процеси одержання металів, очистки їх від небажаних домішок (рафінування), виробництво сплавів, порошкова металургія, обробка тиском, ливарна справа, зварювання та пайка металів, покриття металів шаром іншого металу тощо.
До механічної обробки відносять обробку зі зняттям стружки різальними інструментами (різання різцями, свердлами, фрезами, абразивна обробка) та без різальних інструментів (лазерна, плазмова, ультразвукова, електроіскрова обробка).

Металами є більшість хімічних елементів періодичної системи Д. І. Менделєєва (приблизно 80 % елементів). Це прості речовини, що складаються із однакових атомів одного сорту і розташованих у певному порядку.
У матеріалознавстві прийнято поділяти всі метали і сплави умовно на дві групи. Залізо і його сплави, а також кобальт, нікель і марганець (за А. П. Гуляєвим) відносять до чорних металів (іноді включають і хром). Чорні метали складають понад 90 % всього обсягу, що використовуються в народному господарстві; основна частина з них – різні сталі. Кольорові метали утворюють сплави на основі алюмінію, магнію, міді, титану, цинку, олова, свинцю та ін.
Аналіз таблиці 1.1 свідчить, що найпоширенішим хімічним елементом (металом) у земній корі є [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].

Таблиця 1.1 – Вміст металів у земній корі
Метали
% маси
земної кори
Метали
% маси
земної кори

Алюміній
8,8
Магній
2,1

Залізо
5,1
Титан
0,6

Кальцій
3,6
Марганець
0,09

Натрій
2,6
Мідь
0,01

Калій
2,6
Інші метали (разом)
менше 2,0


Навчальна дисципліна «Технології матеріалів» для спеціальності «Судноводіння» передбачає вивчення основних програмних питань, зокрема:
будова та основні механічні властивості металів, основні методи їх визначення;
види сплавів, їх будова, маркування, використання;
поняття про діаграму стану бінарних сплавів, зокрема, залізо-вуглець та використання діаграми для практичних цілей;
виробництво чавуну, сталі та інших сплавів;
- основи теорії та технологія термічної обробки металів;
- поверхневе зміцнення сталі;
- вивчення технології зварювання металів;
- обробка металів тиском;
- технологія обробки металів різанням;
кольорові метали і їх сплави і застосування;
неметалеві матеріали та їх використання.
Знайомство з рекомендованою літературою

Перелік літературних джерел досить значний. Та все ж доцільно використати, в основному, наступні підручники та посібники:

Сологуб М.А. Технологія конструкційних матеріалів. – К.: Вища школа, 2002. – 374 с.
Прейс Г.А. Технология конструкционных материалов. – К.: Выща школа, 1991. – 391 с.
Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы. – Л.: Машиностроение, 1987. – 363 с.
Лахтин Ю.М. Основы металловедения. – М.: Металлургия, 1988. – 320 с.
Кузьмин Б.А. Технология металлов и конструкционных материалов. – М.: Высшая школа, 2006. – 276 с.
Кондратюк С.Е. Металознавство та обробка металів. – К.: ВІКТОРІЯ, 2000. – 372 с.
Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 542 с.
Дальский А.М. Технология конструкционных материалов. – М.: Машиностроение. 2005. – 592 с.
Моісеєнко Л.Л. Матеріалознавство та технологія матеріалів. – Херсон, ХДМА, 2013 – 340 с.

Посібник [9] написаний згідно з діючою програмою однойменної навчальної дисципліни та відображає сучасний стан вітчизняної і зарубіжної науки і виробництва в галузі матеріалознавства, металургії та технології конструкційних матеріалів.
На нашу думку, досягнення мети свідомого і глибокого опанування знань із зазначеної навчальної дисципліни можливе шляхом усвідомлення теоретичних положень з матеріалознавства та технології матеріалів, виконання циклу лабораторних робіт і систематичної самостійної роботи. Тому і структуру посібника представлено із трьох розділів: основи теорії, лабораторний практикум та індивідуальні творчі завдання, контроль за виконанням яких дасть змогу виявити рівень якості підготовки фахівців.
Необхідність написання навчального посібника вищеозначеної структури, де представлені різні форми засвоєння знань – через теоретичний програмний матеріал, лабораторний практикум та організацію самостійної роботи – обумовлена відсутністю такого для вищих морських навчальних закладів і, зокрема, українською мовою.
Особливістю посібника є наявність тестів до лабораторних робіт та додатків у його складі відповідно до змісту, зокрема, «Тлумачний словник», «Короткий металографічний атлас», «Короткі довідкові дані про матеріали», які суттєво допоможуть курсантам мобільно та свідомо засвоїти основні поняття з матеріалознавства та технології матеріалів.

Поняття про матеріалознавство, як науку, та її виникнення. Роль вітчизняних та зарубіжних вчених у розвитку цієї науки

Як уже зазначалося, матеріалознавство – наука, що встановлює зв’язок між складом, структурою та властивостями металів і сплавів та вивчає закономірності їх змін при теплових, хімічних, механічних і інших впливах.
Люди познайомились з металами ще в глибоку давнину (золото, срібло, мідь). В середньовіччя були відомі сім металів (золото, срібло, мідь, залізо, свинець, олово, ртуть). До того ж, слід пам’ятати, що рівнем виробництва металів та інших конструкційних матеріалів визначається могутність держави.
Важливим етапом у розвитку матеріалознавства стало відкриття Д. І. Менделєєвим у 1869 році періодичного закону хімічних елементів.
Великий внесок у галузь про матеріали внесли відкриття Д. К. Чернова, Н. С. Курнікова, А. М. Бутлерова, А. Ледебура та ін. вчених.
Історія розвитку матеріалів діалектично пов'язана з розвитком суспільства. Найменування історичних епох (найдавніший, середній і новий кам'яні віки, мідно-кам'яний, бронзовий, залізний) відповідають значенню розроблених матеріалів у розвитку людства. Камінь і кість були першими матеріалами, які використовували у природному вигляді. Технічними досягненнями епохи стали потім мідь, кольорова кераміка, залізо та ін.
Вперше існування зв’язку між будовою сталі і її властивостями було встановлене П. П. Аносовим (1799-1851).
Ім’я П. П. Аносова пов’язане з відкриттям секрету виготовлення булатних клинків, гнучких і в’язких і в той же час здатних рубати сталь. Він вперше в 1831 році застосував мікроскоп для дослідження сталі. П. П. Аносов відкрив газову цементацію, заклав основи металургії легованих сталей.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Основи наукового матеріалознавства були закладені відомим російським металургом, вченим Д. К. Черновим (1839-1921) та розвинуті академіком Н. С. Курнаковим. Д. К. Чернов відкрив критичні точки та їх зв'язок із змінами в структурі і властивостях сталі, створив вчення про центри кристалізації та закони росту кристалів на значних об’ємах сталі, відкрив загартування в гарячих середовищах, ступінчасте загартування.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Значний вклад у розвиток матеріалознавства внесли наукові роботи відомих зарубіжних вчених Осмонда (Франція), Юм-Розери і Н. Мотта (Англія), Ф. Зейтца, Е. Бейна і Р. Мейла (США), Таммана і Ганемана (Німеччина) і ін.

Міжпредметні зв’язки курсу технології матеріалів з навчальними дисциплінами за фахом підготовки

Курс матеріалознавства та технології матеріалів разом з іншими загальнотехнічними дисциплінами дає можливість курсантам всіх спеціальностей одержати необхідну загальноінженерну підготовку, забезпечує одержання міцного фундаменту знань, необхідних для практичної фахової роботи.
Для засвоєння програмного матеріалу досить суттєвим є навчальна підготовка з фізики, хімії, математики та інженерної графіки. Основні положення та закони з розділів механіки та теплоти курсу фізики є вкрай необхідними знаннями в процесі вивчення матеріалознавства та технології матеріалів, бо саме на підставі цих розділів визначаються механічні властивості та теплові зміни конструкційних матеріалів. Вкрай необхідні знання і з хімії: періодична таблиця елементів Д. І. Мендєлєєва, взаємодія металів з агресивним середовищем, корозія тощо.

Кристалічні і аморфні тіла

Всі речовини в твердому стані мають кристалічну або аморфну будову. В аморфних речовинах (кварцове скло, різного роду смоли, янтар, бітуми тощо) атоми розташовані хаотично. При нагріванні аморфні речовини поступово розм'якшуються і переходять у рідкий стан в широкому інтервалі температур – на кривій нагріву цей перехід не виражений (конкретної температури плавлення немає).
Переважна більшість мінералів, всі метали і сплави мають кристалічну будову. Ці речовини при нагріванні залишаються в твердому стані і переходять у рідкий при певній температурі.

Кристалічна будова металів. Поняття про анізотропію

Метали – кристалічні тіла. Їх атоми розташовані тим чи іншим способом в геометрично правильному порядку і утворюють кристали. У просторі атоми металів утворюють кристалічну решітку. Тип кристалічної решітки залежить від хімічної природи і фазового стану металу.
Найбільш розповсюдженими високосиметричними кристалічними решітками із щільної упаковкою атомів (іонів) є: проста кубічна решітка, об’ємноцентрована кубічна (ОЦК), гранецентрована кубічна (ГЦК) та гексагональна щільно-упакована (ГЩУ). У вузлах зазначених решіток розташовані атоми (іони) металів.
Атоми (іони) металів розташовуються у вузлах зазначених решіток, зокрема: в системі ОЦК просторової гратки (решітки) кристалізуються
·-залізо, калій, натрій,
·-титан, молібден, вольфрам, ванадій, хром та ін.; в системі ГЦК – алюміній, мідь, нікель, свинець, срібло і ін.; в системі ГЩУ – магній, цинк, берилій і ін. [1].



Рисунок 1.1 – Типи кристалічних решіток металів

В різних площинах кристалічної решітки (ґратки) атоми розташовані з різною щільністю і тому певні властивості кристалів в різних напрямках можуть бути неоднакові. Ця різниця властивостей кристалів зветься анізотропією властивостей. На відміну від кристалів, аморфні тіла (скажімо, смоли) мають однакові властивості у всіх напрямках, і тому є ізотропними.

Поняття про агрегатні стани речовин

Речовина в залежності від змін зовнішніх умов – температура, тиск – може переходити з одного агрегатного стану в інший.
Агрегатний стан – [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] стан [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], що суттєво відмінний за своїми фізичними властивостями від інших станів цієї ж речовини. Переходи між агрегатними станами однієї і тієї ж речовини супроводжуються стрибкоподібними змінами [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] і інших фізичних властивостей. Як правило, серед агрегатних станів виділяють [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] та [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Відрізняються вони, в першу чергу, характером руху молекул та порядком [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
Поняття «агрегатний стан» досить розмите. Так, майже всі речовини в [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] агрегатному стані можуть мати, залежно від [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] і [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], декілька різних [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Термодинамічні ж фази можуть відрізнятися «непомітними оку» величинами, такими як [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], структура [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] тощо.

Алотропні перетворення в металах

Здатність металів у твердому стані мати різну кристалічну будову і, як наслідок, різні властивості при різних температурах, називається алотропією або поліморфізмом. Процес переходу із однієї кристалічної форми в іншу зветься алотропним (поліморфним) перетворенням.
Алотропні (поліморфні) перетворення в металах наочно прослідкувати можна на кривих охолодження в системі координат температура – час.
В процесі алотропного перетворення (при охолодженні) виділяється прихована теплота кристалізації і тому на кривій охолодження (рисунок 1.2) це алотропне перетворення характеризується горизонтальною ділянкою, що відповідає певній температурі Ts. При цій температурі обидві фази (рідка і тверда) існують з однаковою ймовірністю. Поки не закінчиться фазовий перехід температура з часом залишається незмінною за рахунок вивільнення або поглинання енергії.

Рисунок 1.2 – Крива охолодження металу

Температура, що відповідає певному поліморфному перетворенню в металі, називається критичною температурою (температурою фазового перетворення Ts). Це теоретична температура фазового перетворення. Але для того, щоб здійснювався процес поліморфного перетворення, необхідно щоб температура Tn була дещо відмінною за теоретичну, тобто рідина повинна бути переохолодженою або тверда фаза – перегрітою. Так, на кривій охолодження заліза (рисунок 1.3), горизонтальні ділянки саме і характеризують незмінність температури протягом часу фазових перетворень при охолодженні.

Рисунок 1.3 – Крива охолодження заліза

Це свідчить про те, скажімо, що при кристалізації металів виділяється прихована теплова енергія.


Плавлення металів. Механізм кристалізації металів

Плавлення металів – це процес переходу їх із твердого стану у рідкий при нагріванні. Кожен метал має свою температуру плавлення tп, при якій стійкому термодинамічному стану відповідає найменша енергія Гіббса (вільна енергія). При цій температурі Ts значення вільної енергії в рідкому і твердому станах рівні і обидві фази (рідка і тверда) можуть існувати одночасно. Вище температури Ts більш стійкий метал у рідкому стані, а нижче – у твердому.
Як зазначалося, всім металам притаманна кристалічна решітка. З підвищенням температури у металів зростає внутрішня енергія, що приводить до підвищення рухливості атомів, а це в свою чергу спонукає збільшення міжатомних відстаней і руйнування міжатомних зв’язків. Кристалічна решітка втрачає сенс. Отже процес плавлення завжди відбувається із поглинанням зовнішньої енергії.
Заслуговує на увагу і зворотній процес – процес переходу металів із рідкого стану в твердий.
При переході з рідкого стану в твердий (кристалічний) утворюється кристалічна решітка, виникають кристали. Такий процес і називається кристалізацією.
У 1878 р. відомий російський вчений Д. К. Чернов встановив, що процес кристалізації складається із двох стадій: зародження центрів кристалізації і росту кристалів з цих центрів.
Утворення кристалів в металах і сплавах – первинна кристалізація, а також перекристалізація у твердому стані – вторинна кристалізація відбувається при їх поступовому охолодженні. Процес кристалізації може відбуватися лише при переохолодженні металу нижче температури Ts (рисунок 1.2.3).
Досягши температури кристалізації на кривій температура - час з'являється горизонтальна ділянка (крива 1), оскільки відведення тепла компенсується прихованою теплотою кристалізації, що виділяється при кристалізації. Рідина безперервно охолоджується до температури переохолодження Tn, що лежить нижче теоретичної температури кристалізації Ts. При охолодженні нижче температури Ts створюються енергетичні умови, необхідні для протікання процесу кристалізації. Після закінчення кристалізації, тобто після повного переходу в твердий стан, температура знову починає знижуватися, і тверда кристалічна речовина охолоджується. Теоретично процес кристалізації зображується кривою 1. Крива 2 показує реальний процес кристалізації.
На кривій охолодження заліза (рисунок 1.2) спостерігається поява горизонтальних ділянок при температурах 1392 та 911 єС, що свідчить про можливі поліморфні перетворення у твердому стані, які пов’язані із зміною кристалічної решітки заліза при цих температурах. В процесі охолодження при 1392 єС відбувається перехід
·-Fe
·-Fe внаслідок зміни кристалічної решітки з ОЦК на ГЦК, а при 911 єС – перехід
·-Fe
·-Fe внаслідок наступної зміни кристалічної решітки з ГЦК на ОЦК.

Можливість регулювання процесу кристалізації з метою одержання необхідних структури і властивостей

З метою одержання необхідної структури і потрібних властивостей металу процес кристалізації можна регулювати. Процес кристалізації, як вперше встановив Д.К. Чернов, починається з утворення кристалічних зародків (центрів кристалізації). При утворенні центрів кристалізації – а ними можуть бути неметалеві включення – від них ростуть первинні осі майбутніх кристалів. Ріст зародків кристалізації відбувається в результаті переходу атомів із переохолодженого розплаву до кристалів.
Первинні кристали нагадують структуру дерева і одержали назву дендритів (рисунок 1.4). Поки кристали ростуть вільно, вони можуть мати правильну геометричну форму. При дотику окремих кристалів між собою їх правильна форма порушується. В процесі зростання кристали в певний момент зіштовхуються (торкаються один одного), заважаючи росту один одного в різних напрямках, внаслідок чого одержують випадкову зовнішню форму. Після затвердіння кристали одержують неправильну зовнішню форму; і їх називають кристалітами або зернами, які повернуті один відносно іншого на певний кут. Розмір зерен впливає на механічні властивості металу.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Дендритна структура кристалу
Послідовні етапи кристалізації металу

Рисунок 1.4 – Кристалізація металів

Величина зерен і їх кількість в кінці кристалізації залежать від швидкості зародження (кількості центрів) і росту кристалів, які в свою чергу, визначають швидкість охолодження металу, що затвердів. З підвищенням швидкості охолодження число зародків зростає у більшій степені, ніж швидкість їх росту, тому розмір зерен в металі зменшується, чим і пояснюється зміна механічних властивостей.
Отже, створення необхідних властивостей металу можна здійснювати шляхом регулювання процесу кристалізації, тобто за рахунок зміни швидкості його охолодження.

Кристалічна будова металів, будова і властивості реальних кристалів.

Метали – кристалічні тіла. Їх атоми розташовані в геометрично правильному порядку і утворюють кристали. В просторі атоми металів утворюють кристалічну гратку (слайд).
Найбільш розповсюдженими кришталевими братками є: кубічна, кубічна об’ємноцентрована (ОЦК), кубічна гранецентрована (ГЦК) та гексагональна щільно-упакована (ГПУ). У вузлах зазначених ґраток розташовані атоми металів. В реальних умовах геометрична правильність розташування атомів може бути дещо порушеною (структурна недосконалість).
В різних площинах кристалічної ґратки атоми розташовані з різною щільністю і тому певні властивості кристалів в різних напрямках неоднакові. Ця різниця властивостей кристалів зветься анізотропією властивостей. На відміну від кристалів аморфні тіла (скажімо, смоли) мають однакові властивості у всіх напрямках, і тому є ізотропними.
Метали представляють собою полікристалічні тіла, що складаються з великої кількості мілких (1000-0,1 мкм), по різному орієнтованих, кристалів.



































Лекція 2 Механічні властивості металів та методи їх визначення

Мета: Ознайомити курсантів та сформувати у них компетентність з основних механічних властивостей металів і сплавів та методів їх експериментального визначення.

Характеристика основних груп властивостей металів: фізичні, хімічні, механічні і технологічні.
Поняття про напруги, що виникають у металах при дії на них навантаження і величин, що їх характеризують.
Поняття про пружну і пластичну деформацію.
Визначення межі міцності металів випробуванням на розтяг.
Особливості різних методів визначення твердості металів.
Способи визначення технологічних властивостей металів.

Рекомендована література
[1. с. 95 – 102; 2. с. 101 – 110; 4. с. 9 – 25, 38 – 46; 5. с. 60 – 83; 6. с. 53 – 62; 8. с. 9 – 12]

Характеристика основних груп властивостей металів: фізичні, хімічні, механічні і технологічні

Всі метали можна характеризувати фізичними, хімічними, технологічними та механічними властивостями.
До фізичних властивостей відносять колір, густину, температуру плавлення, електро- та теплопровідність, теплоємність, магнітні властивості, розширення та стиснення при нагріванні, охолодженні та фазових перетвореннях.
До хімічних – окислюваність, розчинність, корозійну стійкість, жаротривкість.
До технологічних – прожарюваність (прогартованість), рідкотекучість, зварюваність, оброблюваність тиском і різанням.
Механічні властивості характеризують реакцію металів при зовнішньому впливі на них навантаження, тобто як реагують метали на різні за величиною і характером навантаження, що діють на них. До механічних відносять низку властивостей, зокрема, таких як:
- міцність – здатність матеріалу опиратися руйнуванню та появі залишкової деформації під впливом статичних зовнішніх сил;
- твердість – здатність матеріалу опиратися впровадженню в нього іншого, більш твердого тіла;
- пружність – властивість матеріалу відновлювати свою форму після припинення дії зовнішніх сил, що викликали деформацію;
- пластичність – властивість металів деформуватися під дією зовнішній сил не руйнуючись та зберігати залишкову деформацію; це дає можливість обробляти їх тиском (кувати, прокатувати, волочити).
- в’язкість – здатність матеріалу поглинати механічну енергію і при цьому проявляти значну пластичну деформацію аж до руйнування. В’язкість є властивістю, зворотною крихкості.
- зносостійкістю називається здатність металу не зношуватись у процесі переміщення поверхонь деталей, що притискаються одне до одного.
- витривалістю називається здатність металу не руйнуватись під впливом знакозмінних навантажень.

Для різних металів існують відповідні характеристики механічних властивостей. Так, міцність характеризується межею міцності, пластичність – відносним видовженням та відносним звуженням, витривалість – кількістю прикладених знакозмінних навантажень, зносостійкість – зміною маси або товщини зразка тощо. За цими характеристиками можна судити про рівень опору матеріалу до різних за величиною і характером навантажень, порівнювати матеріали за їх властивостями.

Поняття про напруги, що виникають у металах при дії на них навантаження і величин, що їх характеризують

Метали та інші конструкційні матеріали – матеріали, з яких виготовляються деталі конструкцій (машин і споруд), що сприймають силове навантаження. Визначальними параметрами конструкційних матеріалів є механічні властивості, що відрізняє їх від інших технічних матеріалів (оптичних, ізоляційних, мастильних, лакофарбових, декоративних, абразивних та ін.)
До основних критеріїв якості конструкційних матеріалів відносяться параметри опору зовнішніх навантажень: міцність, в'язкість, надійність, ресурс та ін..
Удосконалення техніки на кожному етапі розвитку висувало нові, безперервно ускладнюючі вимоги до конструкційних матеріалів, (температурна стійкість, зносостійкість, електрична провідність та ін.). Наприклад, суднобудуванню необхідні сталі і сплави з гарною зварюваністю і високою корозійною стійкістю, а хімічному машинобудуванню – з високою і тривалою стійкістю в агресивних середовищах.
Деталі машин, механізмів і споруд працюють під навантаженнями різного виду: постійно діючими в одному напрямку, ударними та змінними за величиною і напрямком.
Зовнішнє навантаження, що діє на метал, створює в ньому напругу, яка залежать від величини прикладеної сили
· та площі поперечного перерізу F тіла і визначається наступним співвідношенням:
13 EMBED Equation.3 1415 . (2.1)
Слід зазначити, що прикладена сила (зовнішнє навантаження) не завжди перпендикулярна ділянці F, на яку вона діє. Тому напруга, що виникає, може бути як нормальною, так і дотичною.
Напруга завжди викликає деформацію в металі – пружну, яка зникає після припинення дії сили, або пластичну, яка залишається після зняття навантаження.

Поняття про пружну і пластичну деформацію

Як відомо, деформацією називають зміну розмірів і форми тіла під дією прикладених сил. Деформація може викликатися дією зовнішніх сил, прикладених до тіла, або різними фізико-механічними процесами, що відбуваються в самому тілі (наприклад, зміна об’єму окремих кристалів при фазових перетвореннях або внаслідок градієнта температур).
Деформацію, вплив якої на форму, структуру і властивості тіла повністю усувається після припинення дії зовнішніх сил, називають пружною. Пружна деформація не викликає помітних залишкових змін в структурі і властивостях металу.
Пластична деформація – деформація, що супроводжується незворотними змінами форми й розмірів тіла під навантаженням без порушення його суцільності. Пластична деформація приводить до зміни не тільки зовнішньої форми тіла, а й окремих зерен, що і є причиною зміни властивостей тіла. Зокрема, в процесі пластичної деформації відбувається зміцнення металу за рахунок збільшення числа дефектів. Це явище одержало назву наклепу (наклепання). Помітним це явище спостерігається при обробці металів тиском.

Визначення межі міцності металів випробуванням на розтяг

При надмірній пластичній деформації відбувається руйнування металу. Здатність металу опиратися появі пластичної деформації і руйнуванню характеризує його міцність.
Міцність металів визначають на спеціальних зразках (в більшості циліндричної форми – рисунок 2.1) шляхом їх розтягування, згинання, кручення. Найчастіше міцність металу характеризується межею міцності при розтягуванні (часовим опором розриву)
·в, МПа:


·в =13 EMBED Equation.DSMT4 1415, (2.2)
де Рв max – максимальне навантаження, яке витримує зразок перед руйнуванням, Н;
F0 – початкова площа перерізу зразка перпендикулярна до Рв, м2.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рисунок 2.1 – Зразки дослідження механічних властивостей

Разом з міцністю при розтягуванні визначають і пластичність матеріалу, що характеризується відносним видовженням
·:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (1.3.3)
де lk – довжина зразка після розриву, м;
l0 – початкова довжина зразка, м.
Оцінити пластичність металу можна і за відносним звуженням
· площі поперечного перерізу циліндричного зразка в місці розриву:

13 EMBED Equation.DSMT4 1415, (1.3.4)
де F0 – початкова площа поперечного перерізу зразка, м2 ;
F1 – площа поперечного перерізу зразка в місці розриву, м2.

Особливості різних методів визначення твердості металів

Важливою характеристикою металів являється твердість. Твердість визначають різними статичними методами, зокрема, методом Бринелля, методом Роквелла, методом Віккерса, а також шляхом визначення мікротвердості.
За методом Бринелля у плоску поверхню металу під постійним навантаженням Р вдавлюється стальна загартована кулька (рисунок 2.2, а) діаметром D (10; 5; 2,5 мм). В результаті на поверхні зразка залишається відбиток у формі кульового сегмента діаметром d, мм.
То ж, твердість за Бринеллем визначають за діаметром відбитка:

13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (1.3.5)
За методом Роквелла твердість визначається за величиною переміщення наконечника індентора. Наконечником індентора служить алмазний конус (рисунок 2.2, б) з кутом при вершині 120о або кулька з карбіду вольфраму (або загартованої сталі) діаметром D = 1,588 мм (1/16 дюйма). Стальну кульку (шкала В) використовують для матеріалів незначної твердості (до НВ 220) з навантаженням 981 Н (100 кГ). Особливістю метода Роквелла є створення попереднього навантаження на індентор, що становить 98 Н (10 кГ).

Рисунок 2.2 – Схеми визначення твердості:
а) за Бринеллем; б) за Роквеллом; в) за Віккерсом

Твердість за методом Роквелла HR являється величиною умовною, що характеризує різницю глибин відбитків повного і попереднього навантаження. Для дуже твердих і тонких матеріалів використовують алмазний конус при навантаженні на нього 588 Н (60 кГ). Позначають твердість за методом Роквелла з урахуванням індексу шкали: HRВ – з навантаженням на кульковий індентор 100 кГ, HRА і HRC – з навантаженням на конусний індентор відповідно 60 кГ і 150 кГ.
За методом Віккерса, де в якості індентора (рисунок 2.2, в) використовують алмазну чотиригранну піраміду з кутом при вершині 136о, з навантаженням на неї від 1 до 100 кГ, можна визначати твердість як м’яких, так і дуже твердих металів і сплавів та, зокрема, мікротвердість, тобто твердість в межах одного зерна.
Заслуговують на увагу сучасні пересувні (мобільні) твердоміри, що працюють з ультразвуковими та динамічними датчиками, зокрема, твердомір NOVOTEST T-Д2 з динамічним датчиком. Зазначений універсальний твердомір дає змогу вимірювати твердість металів і сплавів за шкалами твердості Роквелла (HRC), Бринелля (HB) і Віккерса (HV), а також поверхневого шару металу, підданого наплавленню, напиленню, механічній, термічній і іншим видам обробки. Такий контроль твердості недоступний для стаціонарних твердомірів, які під дією навантажень наче «продавлюють» поверхневий шар.
Твердомір NOVOTEST T-Д2 з динамічним датчиком дозволяє проводити експрес-аналіз твердості виробів безпосередньо на місці експлуатації або виробництва виробів в цехових, лабораторних і польових умовах, наприклад, в машинобудуванні, енергетиці, суднобудуванні, на різних видах транспорту, при виконанні та оцінці якості ремонтних робіт тощо.
Прилад включає у свій склад електронний блок і приєднаний перетворювач. Кнопки управління знаходяться на передній панелі приладу, де розташований графічний індикатор.
Перетворювач динамічного принципу дії реалізує метод відскоку (по Лібу), заснований на визначенні твердості за відношенням швидкостей удару і відскоку бойка, що знаходиться всередині перетворювача. На кінці бойка розташована твердосплавна кулька, що безпосередньо контактує з контрольованою поверхнею в момент удару. Всередині бойка знаходиться постійний магніт.
Бойок, при натискуванні спускової кнопки за допомогою попередньо зведеної пружини, викидається на поверхню, що вимірюється. При цьому бойок переміщується всередині котушки індуктивності і своїм магнітним полем індукує в ній електрорушійну силу (ЕРС). Сигнал з виходу котушки подається на вхід електронного блока, де перетворюється в значення твердості вибраної шкали і виводиться на дисплей.

Поняття про способи визначення технологічних властивостей металів

Технологічні властивості металів і сплавів характеризують їхню здатність піддаватися різним способам гарячої і холодної обробки: ковкості, литтю, зварюванню, різанню та ін. Технологічні властивості визначають за технологічними пробами, що дозволяють одержати якісну оцінку придатності металів до різних видів обробки (наприклад, глибокої штамповки-витяжки та ін.). До таких випробувань (проб) належать випробування (проби) на: ковкість, видавлювання, утворення відливок, перегин, осідання, іскру, зварюваність, обробку тиском, різанням тощо.

Ковкість здатність металів без руйнування піддаватись обробці тиском (кування, штампування, прокатування та ін.).
Ливарність здатність металів забезпечувати рідкотекучість при заповненні форми для виготовлення виробу ливарним способом.
Зварюваність здатність металу давати міцні з'єднання місцевим нагріванням їх до розплавленого стану з наступним охолодженням.
Оброблюваність різанням здатність металів піддаватись обробці різальними інструментами (точіння, фрезерування, свердління та ін.).

Як зазначалося, щоб визначити придатність металів для різних видів обробки, застосовують різні проби. Найпоширенішими є проби на: загин; подвійний замок (листовий метал); осадку (метали для заклепок); глибину витискання листів (листовий метал для штампування) та ін.







Лекція 3 Загальні відомості про металеві сплави та їх будову.

Мета: Сформувати у курсантів компетентність з питань будови сплавів, умов і способів їх одержання, переваг над чистими металами.

Поняття про сплави, умови їх утворення та способи одержання.
Переваги сплавів, як конструкційних матеріалів, перед чистими металами.
Будова сплавів: механічні суміші та їх характеристики.
Будова сплавів: тверді розчини та їх характеристики.
Будова сплавів: хімічні сполуки та їх характеристики.

Рекомендована література

[1. с. 143 – 150; 2. с. 111 – 115; 3. с. 5 – 7; 4. с. 5 – 20; 5. с. 97 – 107; 8. с. 12 – 14]

Поняття про сплави, умови їх утворення та способи одержання

Тривалий період у своєму розвитку людське [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] використовувало для своїх потреб ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] та [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], начиння, прикраси та ін.) обмежене коло [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]:[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], камінь, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] рослинного і тваринного походження, обпалену глину, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], бронзу, залізо.
Промисловий переворот 18 ст. і подальший [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] техніки, особливо створення парових машин і поява в кінці 19 ст. двигунів внутрішнього згоряння, електричних машин та автомобілів, ускладнили вимоги до матеріалів їх деталей, які стали працювати при складних знакозмінних навантаженнях, підвищених температурах і ін.
Основою конструкційних матеріалів, стали металеві [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] на основі заліза ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] і сталі), міді (бронзи і латуні), свинцю і олова.
Металеві сплави представляють собою поєднання двох або кількох компонентів (металів і неметалів), в яких зберігаються металеві властивості.
Більшість сплавів одержують в рідкому стані шляхом сплавляння, проте можуть бути одержані і шляхом спікання, електролізу, конденсації тощо.
Металеві сплави – це складні з’єднання (суміші) на основі металів, що зберігають високу електро- і теплопровідність, ковкість і інші властивості. Сплави можуть складатися з декількох металів або металів і неметалів. У техніці метали і їхні сплави звичайно відносять до однієї групи матеріалів – до металів.
У рідкому стані більшість сплавів однорідні і у фізико-хімічному розумінні представляють одну фазу. Після затвердіння в сплаві може утворитися декілька фаз. Кількість фаз і їх природа визначаються характером взаємодії компонентів сплаву при затвердінні. В залежності від характеру взаємодії компонентів розрізняють сплави: механічні суміші, тверді розчини та хімічні сполуки. Всі ці сплави утворюються при різних умовах, що визначаються характеристиками складових компонентів сплаву.

Переваги сплавів, як конструкційних матеріалів, перед чистими металами

Потрібно відмітити, що для виробництва конструкцій в основному використовуються сплави, а не чисті метали. Чисті метали, як правило, мають низькі механічні властивості: міцність, твердість, зносостійкість, а також суттєво піддаються корозії.
Сплави за своїми властивостям можуть суттєво відрізнятися від властивостей елементів, з яких він складається. Крім того, змінюючи вміст елементів сплаву можна направлено змінювати його властивості відповідно до вимог експлуатації конструкції. Тому розуміння будови сплавів, умов їх утворення та складу, їх механічних властивостей відіграє важливу роль в раціональному використанні їх при виборі матеріалу для виготовлення деталей машин, створенні зварних конструкцій тощо.
Використання сплавів обумовлене ще й тим, що крім наявності у них специфічних властивостей або їх поєднання, властивості сплавів можна змінювати при допомозі пластичної деформації, термічної або термомеханічної обробки значно сильніше, ніж металів.

Будова сплавів: механічні суміші та їх характеристики

Якщо при затвердінні компоненти сплаву не взаємодіють між собою, то утворюється механічна суміш зерен кожного із компонентів. Сплав – механічна суміш може складатися із двох і більшого числа фаз.
При цьому кожна із фаз зберігає свій тип кристалічної ґратки. Сплави – механічні суміші – неоднорідні і можуть мати змінний відсотковий вміст компонентів у широких межах. Такі суміші можуть утворюватися при значній різниці атомних радіусів елементів і температур їх плавлення.



Рисунок 3.1 – Схема мікроструктури сплаву-механічної суміші, що складається з компонентів А (світлі зерна) і В (темні зерна)



Будова сплавів: тверді розчини та їх характеристики

Твердим розчином двох (або більше) компонентів називають однорідне тверде тіло, що має певний тип кристалічної ґратки (ОЦК, ГЦК, ГЩУ та ін.). Тверді розчини представляють собою однофазні сплави змінного хімічного складу, в яких зберігається кристалічна решітка одного з компонентів. Речовина, кристалічна решітка якої зберігається у твердому розчині, називається розчинником. Розрізняють тверді розчини заміщення та тверді розчини впровадження.
Тверді розчини заміщення. В цьому випадку атоми розчиненого компонента займають частину вузлів кристалічної ґратки розчинника – заміщують його атоми (рисунок 3.2, а). Такі розчини утворюються при умові різниці атомних радіусів компонентів не більше як на 8...15 % і тому є обмеженими. Цей вид твердих розчинів може мати постійну і змінну взаємну розчинність компонентів при зміні температури.
Тверді розчини впровадження утворюються між металами і неметалами (вуглець, азот, водень, бор), які характеризуються малими атомними радіусами порівняними за розмірами з порами у кристалічній гратці металів. Як правило, утворюються тверді розчини впровадження на базі перехідних металів (Fe, Co, Mn та ін.). Атоми розчиненого компонента “розсовують” атоми розчинника – параметри його кристалічної ґратки збільшуються (рисунок 3.2, б).

Рисунок 3.2 – Розташування атомів в твердих розчинах:
а) твердий розчин заміщення; б) твердий розчин впровадження

Розчинність у твердому стані може бути обмеженою і необмеженою. При утворенні твердих розчинів властивості сплавів можуть змінюватись плавно (в залежності від складу елементів) і відрізняються від властивостей чистих металів, з яких вони утворені. При необмеженій розчинності компонентів кристалічна решітка компонента розчинника по мірі збільшення концентрації розчиненого в ньому компонента плавно переходить в кристалічну гратку розчиненого компонента.



Мікроструктура твердого розчину – однорідне тіло, утворене зернами однієї фази з компонентів А і В, що розчинені один в одному (рисунок 3.3).


Рисунок 3.3 – Схема мікроструктури твердого розчину


Хімічні сполуки – це поєднання компонентів у їх строгому масовому співвідношенні, що виражається відповідною формулою AmBn (розташування атомів компонентів у кристалічній решітці суворо впорядковане). Атоми сплаву – хімічної сполуки утворюють нову упаковку кристалічної решітки, що відрізняється від кристалічних решіток елементів, що сплавляються.
Сплави – хімічна сполука мають постійну температуру плавлення. Прикладом хімічної сполуки може бути поширена фаза в системі залізо-вуглець – карбід заліза (Fe3C), який називають цементитом.


























Лекція 4 Поняття про діаграми стану бінарних сплавів

Мета: Сформувати у курсантів компетентність про діаграми стану сплавів і методів їх побудови, основних типів діаграм стану бінарних сплавів, взаємозв’язку відповідних діаграм та властивостей цих сплавів.

Поняття про діаграми стану, методи їх побудови та, одержувані з їх допомогою, відомості про будову і властивості сплавів.
Характеристика діаграми стану сплавів, компоненти яких у твердому стані утворюють механічні суміші.
Характеристика діаграми стану сплавів, компоненти яких у твердому стані обмежено та необмежено розчинюються один в одному.
Характеристика діаграми стану сплавів, компоненти яких утворюють стійкі хімічні сполуки.
Характеристика діаграм склад – властивість.

Рекомендована література
[1. с. 151 – 174, 182 –194; 2. с. 111 – 129, 130 – 136; 3. с. 7 – 11; 4. с. 20 – 26; 5. с. 109 – 135, 159 – 174; 6. с. 67 – 74, 75 – 77; 7. с. 12 – 16; 8. с. 14 - 20]

Поняття про діаграми стану, методи побудови та, одержувані з їх допомогою, відомості про будову і властивості сплавів

Як зазначалося раніше, теоретичні основи розробки діаграм стану сплавів були закладені ще Д. К. Черновим, який вивчав структурні та фазові перетворення в сталях при нагріванні.
Агрегатні та фазові стани сплавів згідно закону Гіббса визначаються температурою і хімічним складом. Взаємозв’язок фазового складу і змінних факторів описується діаграмою стану сплаву. Діаграма стану представляє собою графічне зображення фазового стану сплавів в залежності від температури і концентрації в умовах рівноваги.
За діаграмою стану сплавів можна оцінити властивості всіх сплавів системи, прослідкувати за перетвореннями, що відбуваються при їх нагріванні і охолодженні, визначити температуру початку та кінця кристалізації (плавлення) сплаву, з’ясувати, чи буде сплав однорідним, тощо. Діаграма стану дозволяє вибрати температуру нагрівання сплаву при термічній обробці сплаву, при обробці тиском, температуру нагрівання для лиття.
Побудова діаграми стану здійснюється за кривими охолодження, одержаними шляхом термічного аналізу. Діаграми стану сплавів часто називають діаграмами фазової рівноваги, оскільки критичні точки визначаються при надто повільному нагріванні або охолодженні сплавів системи. Діаграма стану будується в системі координат, де по вертикалі розташовують шкалу температур, а по горизонталі – вісь концентрацій компонентів. При такій побудові діаграма відбиває стан сплаву будь-якої концентрації при будь-якій температурі.

Характеристика діаграми стану сплавів, компоненти яких у твердому стані утворюють механічні суміші

Для випадку, коли у твердому стані компоненти А і В сплаву взаємно нерозчинні, діаграма має наступний вигляд (рисунок 4.1). Така діаграма складається із двох ліній: верхньої (АСВ) – ліквідусу (рідкий) і нижньої (DСЕ) – солідусу (твердий).
Плавлення і затвердіння сплавів-сумішей відбувається в інтервалі температур між цими лініями (ліквідусу і солідусу). Вище лінії ліквідусу сплав знаходиться в рідкому стані, а нижче лінії солідусу – в твердому. Тільки сплав з концентрацією компонентів, що відповідає точці С, плавиться і твердне при одній і тій же постійній температурі, як і чисті метали. Цей сплав після затвердіння складається із суміші мілких зерен обох компонентів А і В. Така суміш зветься евтектикою (з грецької “легкоплавкий”), а сплав – евтектичним, і має найнижчу температуру плавлення.


Рисунок 4.1 – Діаграма стану сплавів – механічні суміші та крива охолодження

(0-1 – охолодження рідкого розплаву І, 1-2 – випадання кристалів компоненту А, 2-2 – одночасне випадання кристалів компонентів А і В (кристалізується евтектика), 2-3 – охолодження твердого сплаву)

Характеристика діаграми стану сплавів, компоненти яких у твердому стані обмежено та необмежено розчинюються один в одному

Діаграма стану сплавів, компоненти яких (А і В) володіють необмеженою розчинністю один в одному, має наступний вигляд (рисунок 4.2).
Вище лінії ліквідусу сплави знаходяться в однофазному рідкому стані, між лініями ліквідусу і солідусу – в двохфазному стані (кристали твердого розчину
· компонентів А і В і рідина), і нижче лінії солідусу – в однофазному твердому стані: із зерен твердого розчину
·.


Рисунок 4.2 – Діаграма стану сплавів – тверді розчини з необмеженою розчинністю компонентів та крива охолодження
(0-1 – охолодження рідкого сплаву, 1-2 – двохфазний стан: кристали
твердого розчину і рідина, 2-3 – охолодження твердого розчину)
Сплави – тверді розчини, на відміну від чистих компонентів, тверднуть і плавляться в інтервалі температур між лініями ліквідусу і солідусу.
У випадку обмеженої розчинності компонентів на діаграмі стану нижче лінії солідусу буде ще одна лінія, що відображає цю розчинність (рисунок 4.3).
Система містить три фази – рідкий розчин (рідина), твердий розчин компонента В в компоненті А (назвемо його
·) і твердий розчин компонента А в компоненті В (назвемо його
·). Лінія діаграми АCВ - лінія ліквідусу, лінія АDCFВ - лінія солідусу. Кристали
· виділяються з рідкого сплаву по лінії ліквідуса АС, а кристали
· - по лінії CВ. Твердіння сплавів відбувається по лінії солідусу АD з утворенням кристалів
· і по лінії FВ - з утворенням кристалів
·. Одночасна кристалізація
·- і
·-фаз з утворенням механічної суміші кристалів цих фаз відбувається на лінії солідусу DCF.Сплав складу точки С після твердіння називається евтектичним, оскільки він складається тільки з однієї евтектики
·+
·. Склади сплавів, що лежать лівіше за евтектичну точку С на лінії DС після твердіння, називаються доевтектичними сплавами і мають структуру
·+евтектика (
·+
·). Склади сплавів, що лежать правіше за точку С на лінії CF після твердіння, називаються заевтектичними сплавами і мають структуру
·+евтектика (
·+
·).
Встановлено, що тверді розчини володіють підвищеною пластичністю, тому добре обробляються тиском. Наявність евтектики в сплавах, навпаки, робить їх більш крихкими, але покращує ливарні властивості.



Рисунок 4.3 – Діаграма стану сплавів – тверді розчини
з обмеженою розчинністю компонентів
(
·– кристали твердого розчину компонента В в А,

·– кристали твердого розчину компонента А в В)

Характеристика діаграми стану сплавів, компоненти яких утворюють стійкі хімічні сполуки

Сплави, що утворюють хімічну сполуку компонентів А і В, мають складну діаграму стану (рисунок 4.4). Хімічну сполуку позначають – АmВn. Це вказує на те, що в цьому з'єднанні на m атомів компонента А доводиться n атомів компонента В. Число фаз в цій системі три – рідкий розчин, твердий розчин компонента В в компоненті А (фаза
·) і твердий розчин компонента А в компоненті В (фаза
·).Ця діаграма як би складена з діаграм для двох систем: компонент А - хімічна сполука АmВn, і компонент В - хімічна сполука АmВn. У сплавах лівіше за точку D компонента А є більше, ніж входить в хімічну сполуку АmВn. Отже, в цих сплавах лівіше за точку D утворюється евтектика
·+АmВn. У сплавах правіше за точку D компонента В більше, ніж може входити в хімічну сполуку АmВn. Отже, в цих сплавах утворюється евтектика АmВn+
·.



Рисунок 4.4 – Діаграма стану сплаву – хімічна сполука:
L – ділянка рідкої фази (розплав),
SA – тверда фаза
· компонента А,
SB – тверда фаза
· компонента В,
SA+SB – механічна суміш твердих фаз компонентів А і В,
SAB – тверда фаза стехіометричного складу АmBn

Залізовуглецеві сплави. Характеристика компонентів: заліза і вуглецю

Сплави заліза застосовуються практично у всіх галузях народного господарства. Головні з них – сплави заліза з вуглецем – чавуни і сталі, які використовуються для виготовлення конструкцій складних транспортних засобів (у судно-, авто-, авіа- та машинобудуванні), деталей машин, механізмів, двигунів тощо.
Характеристика компонентів сплаву: заліза і вуглецю. До залізовуглецевих сплавів належать сталі та чавуни. Для одержання заданих властивостей в сталь та чавун можуть вводитися і легуючі елементи.
Залізо – один з самих використовуваних металів; на його участь доводиться до 95 % світового металургійного виробництва. За поширеністю у природі залізо посідає друге місце серед металів (після [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]). На нього припадає 5,10 % маси [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Зустрічається воно виключно у вигляді сполук ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] та ін.). Найважливішими природними сполуками заліза, що мають промислове значення, є [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Fe3O4, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Fe2O3, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Fe2O3 · nH2O та [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] FeS2.
Оксиди заліза служать [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], з яких добувають залізо, а пірит  сировиною для сульфатно-кислотного виробництва. Вільне залізо знаходять лише в [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Чисте залізо – метал з атомним номером 26, сріблясто-сірогого кольору, порівняно м’який і достатньо пластичний, ковкий [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], який легко окислюється, утворюючи оксиди заліза у вигляді товстої плівки ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]), що сповільнюють подальше руйнування заліза. Залізо електропровідний метал, з густиною
· = 7,87 г/см3 (103 кг/м3) та температурою плавлення tпл = 1539 оС. Межа міцності заліза не перевищує
·в = 250 МПа, твердість НВ 60...80, пластичність
· = 45 %.
При атмосферному тиску в інтервалі температур від абсолютного нуля до 911 оС залізо має об’ємноцентровану кубічну (ОЦК) кристалічну решітку і позначається –
·-Fe. При температурі 911 оС відбувається поліморфне перетворення заліза – утворюється гранецентрована кубічна (ГЦК) кристалічна решітка –
·-Fe, стійка до 1392 єС. Вище 1392 оС залізо знову переходить в фазу
·-Fe, яку нерідко позначають як
·-залізо. Таким чином, критична температура перетворення
·
· стано-вить 1392 оС, а критична температура перетворення
·
· – 911 оС.
Вуглець з атомним номером 6 являється неметалевим поліморфним елементом і існує у вигляді: графіту – при звичайних умовах і алмазу. Температура плавлення (сублімації) вуглецю близько tпл = 3500 оС. Прямий перехід графіту в модифікацію алмазу відбу-вається при 3000 K і тиску 11-12 ГПа.
Вуглець розчиняється в залізі у рідкому і твердому станах, а також може знаходитися у вигляді хімічної сполуки Fe3C – цементиту, а у високовуглецевих сплавах – і у вигляді включень графіту.

Діаграми стану залізо – цементит та її призначення

Діаграма стану сплавів системи залізо – вуглець являється фундаментом науки про сталі та чавуни. Вуглець із залізом утворює стійку хімічну сполуку – цементит, або може знаходитися в сплавах у вигляді твердих розчинів або у вільному (незв’язаному) стані – у вигляді графіту.
Діаграма стану (або діаграма фазової рівноваги) у зручній формі показує фазовий склад і структуру сплаву в залежності від температури при якій він перебуває та концентрації в ньому вуглецю.
Спрощена діаграма стану сплаву заліза з вуглецем побудована в інтервалі концентрацій вуглецю 0...6,67 %, тобто до утворення хімічної сполуки карбіду заліза Fe3C – цементиту, який поводить себе як самостійний компонент (рисунок 4.5). 
То ж залізо і карбід заліза можна вважати компонентами залізовуглецевих сплавів.



Рисунок 4.5 – Спрощена діаграма стану сплавів системи залізо-цементит


Діаграми стану дозволяють визначити фазові перетворення в умовах дуже повільного охолодження та нагрівання. Ці діаграми характеризують кінцевий стан сплавів, коли всі перетворення в них уже закінчилися. Цей стан сплаву залежить від зовнішніх умов (температура, тиск) і характеризується числом і концентрацією утворених фаз.
Як правило, діаграми стану одержують експериментально і будують в координатах температура – концентрація у відсотках за масою. При цьому використовують криві охолодження, застосовуючи термічний аналіз.

В системі Fe – C розрізняють наступні фази: рідкий сплав, тверді розчини – ферит і аустеніт, а також цементит і графіт.
Твердий розчин вуглецю в
·-Fe і
·-Fe називається феритом, а в
·-Fe – аустенітом. Розчинність вуглецю в
·-Fe і
·-Fe досить мала (до 0,02 %), і тому властивості фериту близькі до властивостей чистого заліза. Аустеніт має ГЦК решітку з крупними (в центрі куба) порожнинами, зручними для розміщення атомів вуглецю, тому в
·-Fe розчиняється від 0,765 до 2,14 % С. Аустеніт – парамагнітна пластична фаза і його властивості залежать від вмісту вуглецю. І ферит і аустеніт, як і чисті метали, мають зернисту будову (рисунок 4.6).


а)

б)
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
в)

Рисунок 4.6 – Мікроструктура: а) фериту; б) аустеніту, в) цементиту



Цементит – хімічна сполука Fe3C (карбід заліза), що містить 6,67 % С і виділяється у вигляді білої сітки на границях зерен перліту (рисунок 1.6.2, в), відрізняється високою твердістю (НВ
· 8000 МПа), крихкістю (
· 
· 0 %), температурою плавлення tпл = 1600 оС. Кристалізується цементит по лінії ліквідусу СD (разом з тим, по лінії ліквідусу АС кристалізується аустеніт). В точці С при температурі 1147 оС і вмісту в розплаві 4,3 % С одночасно кристалізуються і аустеніт і цементит, утворюючи при цьому евтектику – ледебурит.
Сплави заліза з вуглецем, у яких в результаті первинної кристалізації в рівновазі утворюється аустенітна структура, називають сталями. Отже сталі – це залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю до 2,14 % C.
Сплави з вмістом вуглецю більше 2,14 %, в яких при кристалізації утворюється евтектика ледебурит, називають чавунами. Отже, чавуни – це залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю більше ніж 2,14 % C.

Особливості діаграми стану. Характеристика точок і ліній діаграми
Основні лінії на діаграмі стану: лінія ліквідусу – АСD та лінія солідусу – AECF. Відповідні відрізки діаграми – GS, SE i PSK відображають перетворення в сплавах після затвердіння. Точка Е, що відповідає концентрації 2,14 % С, є критичною точкою, і вертикаль, проведена через цю точку, поділяє залізовуглецеві сплави за структурою на дві групи: сталі і чавуни.
Зліва від вертикалі через точку Е розташовані сплави, які тверднуть з утворенням твердого розчину вуглецю в
·-залізі, що зветься аустенітом (А). Ці сплави досить пластичні, здатні оброблюватися тиском, їх звуть сталями.

Сплави, що праворуч від вертикалі через точку Е, з вмістом вуглецю більше 2,14 % С, тверднуть з утворенням евтектики (ледебуриту), що зменшує пластичність цього сплаву, але покращує ливарні властивості. Ці сплави називають чавунами.

Практичне застосування діаграми

Користуючись діаграмою стану залізо-цементит (рисунок 4.5) можна проаналізувати та прокоментувати фазовий склад та ті фазові перетворення, які відбуваються при відповідних температурах для доевтектоїдної (< 0,8% С), евтектоїдної (0,8 % С) та заевтектоїдної (> 0,8 % С) сталях при їх нагріванні та охолодженні.
Такий же аналіз з коментарями можна провести, користуючись зазначеною діаграмою, і для чавунів – доевтектичного білого (до 4,3 % С), евтектичного білого (4,3 % С) та заевтектичного білого (понад 4,3 % С), відповідно при нагріванні та охолодженні.
Діаграма стану сплавів системи залізо – цементит використо-вується практично для визначення температури плавлення та початку і кінця кристалізації для різних марок сталей та чавунів. За допомогою діаграми стану можна визначати їх фазовий склад, температури фазових перетворень, оцінювати режими для їх термічної та термо-механічної обробки.
Для цього на осі концентрацій зазначають відповідний сплав і в цій точці будують перпендикуляр до перетину з основними лініями діаграми. Точки перетину і будуть визначати відповідні температури плавлення, початку і кінця кристалізації, температури фазових перетворень тощо.

Характеристика діаграм склад – властивість

Практична цінність діаграм стану полягає ще й у тому, що поряд з відображенням агрегатного і фазового стану сплавів вона відображає зміну їх властивостей. Вперше цей зв’язок встановив Н. С. Курнаков у вигляді діаграм “склад – властивість” [3].
Так для сплаву – механічні суміші властивості (твердість, електропровідність і ін.) змінюються за лінійним законом. В сплавах – тверді розчини ці властивості змінюються по кривій з максимумом або мінімумом.
Діаграми склад – властивості (рисунок 4.7) є найціннішим додатком до діаграм стану сплавів. Вони характеризують зміну властивостей сплаву в залежності від складу сплаву.



Рисунок 4.7 – Діаграми склад-властивості сплавів при різному характері
взаємодії компонентів:
1 – міцність, твердість, електричний опір; 2 – пластичність, електропровідність

Як свідчить діаграма склад-властивості, для різних видів сплавів температура по-різному впливає на механічні властивості. Ці діаграми дають інформацію про характер змін твердості та електропровідності в залежності від виду діаграм стану. Поряд із визначенням твердості, міцності, електропровідності ці діаграми дають можливість визначати ливарні властивості, здатність піддаватися обробці тиском, різанням тощо. Так, у сплавів – механічні суміші властивості (твердість, пластичність і ін.) змінюються за лінійним законом, тоді як для сплавів – твердих розчинів ці властивості змінюються по кривим з наявністю екстремальних точок.
Лекція 5 Загальні відомості про виробництво, властивості та застосування чавуну в суднобудуванні

Мета: Сформувати у курсантів компетентність в питаннях основних металургійних процесів та вихідних матеріалах для виробництва чавуну, їх маркування застосування в суднобудуванні. Вміти визначати механічні властивості чавунів за їх маркуванням.

1  Поняття про металургію. Характеристика металургійних процесів.
Поняття про металургію чавуна. Характеристика залізних руд і підготовка їх до плавки.
Характеристика палива та флюсів, що застосовуються в металургії.
Будова і робота доменної печі та допоміжного устаткування.
Фізико – хімічні процеси, що відбуваються в доменній печі.
Інтенсифікація доменного процесу.
Вплив домішок чавуну на його структуру і властивості.
Сірі чавуни, їх хімічний склад, будова, властивості, застосування.
Ковкий та високоміцний чавуни. Способи їх виготовлення, хімічний склад, будова, властивості, позначення, застосування.

Рекомендована література
[1. с. 195 – 214; 2. с. 137 – 156; 3. с. 13 – 16; 4. с. 58 – 61; 5. с. 180 – 221; 6. с. 77 – 88; 7 с. 18 – 20; 8. с. 20 - 22]

Поняття про металургію. Характеристика металургійних процесів.

Галузь промисловості, що займається виробництвом металів і сплаві з руди та іншої сировини, наука про способи одержання та очистки металів називається металургією.
Спочатку залізо одержували безпосередньо із руди відновленням в горнах. Внаслідок насичення заліза вуглецем, одержували сплав крихкий, але з гарними ливарними якостями. Цей сплав назвали чавуном. Потім чавун почали переробляти в сталь – сплав з меншим, ніж у чавуні, вмістом вуглецю, марганцю, кремнію та ін., що володіє високою пластичністю і міцністю. Двохстадійна схема виробництва сталі – виплавка чавуну в доменній печі і переробка його в сталь – є і сьогодні основною.
Історично в Україні сформувалися три регіони чорної металургії: Донбас, Придніпров'я і Приазов'я, орієнтовані на власні вугільні, залізорудні, марганцеві та інші мінерально-сировинні ресурси (Донбас – на коксівне вугілля, Придніпров'я – на криворізькі залізні і нікопольські марганцеві руди та водні ресурси Дніпра, Приазов'я (Маріуполь) – на вигідне економіко-географічне положення поблизу вугільних шахт Донбасу і Керченського родовища залізних руд, що надходять туди морським шляхом).

Поняття про металургію чавуна. Характеристика матеріалів, що застосовуються в металургії
Для виробництва металів використовують руди, флюси, паливо і вогнетривкі матеріали.
Руда – це гірські породи, що містять метали в кількостях, що забезпечують їх економну переробку. Скажімо, залізні руди містять 30...60 % металу. Руда складається із мінералів, що містять метал у вигляді окислів, сульфідів, карбонатів і пустої породи, до складу якої входить кремнезем SiO2 , глинозем Al2O3 , а також домішки сірки, фосфору, миш’яку та ін.
Флюси – це матеріали, що утворюють при плавці шлак – легкоплавку сполуку з пустою породою руди, золою палива і іншими неметалічними включеннями. Звичайно шлак володіє меншою густиною, ніж виплавляємий метал, тому він розташовується над ним, захищаючи його від взаємодії з пічними газами і повітрям.
Паливом в металургійних процесах служить кокс, природний, доменний коксовий газ, мазут.
Кокс одержують сухою перегонкою кам’яного вугілля без доступу повітря при температурі 1000...1100 єС. Він містить 85...90 % С, має високу питому теплоту згоряння, малу зольність.
Природний газ – висококалорійне дешеве паливо і складається в основному із метану СН4.
Доменний газ – побічний продукт при виплавці чавуну в доменній печі (містить до 32 % СО, до 4 % Н2).
Мазут – важкий залишок перегонки нафти, містить до 88 % С, 10...12 % Н2 і невелику кількість кисню та сірки.
Вогнетривкі матеріали застосовують для внутрішнього облицювання (футерівки) плавильних печей і іншого обладнання, що знаходиться під дією високих температур і розплавлених металів і шлаків. Це динасова цегла, кварцовий порошок, шамот, хромомагнезит та ін.

Поняття про металургію чавуна. Характеристика залізних руд і підготовка їх до плавки

На разі до 85 % чавуну витрачається на виробництво сталі.
Сировиною для виплавки чавуну служать залізні руди, флюси і паливо. Залізо в рудах в основному знаходить у вигляді окислів, рідше у вигляді карбонату FeCO3. Серед залізних руд використовується магнітний залізняк, що містить до 65 % заліза у вигляді магнітного окислу Fe3O4 (магнетит), червоний залізняк, що містить до 60 % заліза у вигляді безводного окислу Fe2O3 (гематит), бурий залізняк, що містить до 50 % заліза у вигляді гідроокису 2Fe2O3·3Н2О (лимоніт) та Fe2O3·Н2О (гетит) – це бідні руди забруднені миш’яком та фосфором, шпатовий залізняк – бідна руда, що містить до 40 % заліза у вигляді карбонату FeCO3 (сидерит), містить небагато сірки та фосфору.
Основна маса руди (приблизно 95 %) проходить стацію попередньої підготовки до плавки, що включає в себе подрібнення, сортування, збагачення та кускування. Спочатку руду подрібнюють, а потім сортують. Придатними для плавки вважаються шматки (куски) розміром 40...100 мм. Більше 80 % всіх руд піддають збагаченню, шляхом магнітної сепарації. Попереднім випалюванням руди при температурі 600...800 єС немагнітні окисли переводять у магнітні.


Рисунок 5.1 – Схема сухого барабанного магнітного сепаратора:
1 – нерухомий електромагніт,
2 – шматки немагнітного матеріалу,
3 – суміш повторного очищення,
4 – магнітні мінерали


Збагачення залізних руд – технологічний процес підвищення [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] в [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] корисного елемента, що здійснюється шляхом видалення з неї пустої [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
В даний час більше 90 % [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], направлених в доменну плавку, піддаються збагаченню. Всі способи збагачення руд, у тому числі і залізних, засновані на відмінності фізичних властивостей рудного мінералу і пустої породи: зовнішнього вигляду, щільності, змочуваності, магнітної сприйнятли-вості й ін.
Збагачення руд, що містять переважно слабомагнітний гематит, здійснюється за магнітними, гравіта-ційними, флотаційними і ін. схемами.
Найпоширенішим способом збагачення магнітних залізняків є магнітна сепарація, заснована на відмінності магнітної сприйнятливості рудного мінералу і пустої породи (рисунок 5.1). Роздроблену руду вводять в магнітне поле, під дією якого частинки, володіючи магнітними властивостями, прямують в одну сторону, а немагнітні частинки виносяться зі сфери дії магнітного поля в іншу сторону або силою тяжіння, або потоком води. Проте цей спосіб успішно може бути застосований тільки до одного типу залізних руд – магнітних залізняків.
Паливо в процесі виплавки чавуну в доменній печі виконує роль не тільки пального, але й відновлювача заліза з руди.
Флюс металургійний – неорганічний матеріал, що вводиться в шихту, щоб знизити температуру плавлення та полегшити відділення металу від пустої породи. Флюсами при виплавці чавуну в доменній печі служать вапняк СаСО3 або вапняк, що складається з СаСО3 та MgСО3. Паливо в процесі виплавки чавуну в доменній печі виконує роль не тільки пального, але й відновлювачем заліза з руди.
Будова і робота доменної печі та допоміжного устаткування

Чавун із залізної руди виплавляють в домнах – вертикальних печах шахтного типу. Процес плавки чавуну безперервний.
Для виплавки чавуну в домну завантажують шихту – суміш певного співвідношення руди, палива і флюсів. Окремі порції шихти називаються колошами. Колоші з бункера (рисунок 5.2) подаються вагонетками у приймальну воронку засипного апарату. Шихта попадає по черзі в колошник і далі в шахту печі. Шихта завантажується в домну періодично (бо домна відноситься до печей безперервної дії протягом 5...10 років) по мірі згоряння палива і випуску чавуну і шлаку.


Рисунок 5.2 – Будова доменної печі

Найширша циліндрична частина домни називається розпаром. Нижче нього знаходяться звужуючі заплечики і горн, обмежений лещаддю. В нижній частині горна розташовані летки для випуску чавуну і шлаку.
Для підтримання горіння палива в домену піч через ряд розташованих по колу фурм вдувається під тиском до 0,25 МПа повітря. Витрати повітря на виплавку 1 т чавуну становить 3000...7000 м3/хв.
Основними характеристиками доменної печі служать її корисна висота (відстань від лещади до нижнього конуса засипного апарату) і корисний об’єм (робочий об’єм, заповнений шихтою і продуктами плавки). Сучасні домені печі мають: корисний об’єм 2000...5000 м3, добову продуктивність 3000...10000 т, корисну висоту 35 м.

Фізико – хімічні процеси, що відбуваються в доменній печі

Доменна піч працює по принципу протитоку: зверху в доменну піч завантажують шихтові матеріали ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]), а в нижню частину печі вдувають [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], нагріте до 1100 – 1200 єC, з додаванням кисню і природного газу.
В результаті того, що згорає кокс, в нижній частині печі утворюються гази, які складаються з оксидів вуглецю в суміші з [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] і воднем. Висхідний потік газу нагріває шихтові матеріали, які у міру, згоряння коксу і проплавлення шихти опускаються.
При певних температурах починається розкладання складних сполук і відновлення заліза з оксидів. Цей процес завершується навуглецюванням заліза, його розплавленням. Розплав накопичується в нижній частині печі, і до нього переходять ті, елементи що частково відновилися: [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], а також [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
Цей розплав – чавун, містить більше 92 % Fe; 3,5-4,6 % С, інші Mn, Si, P та ін. З печі чавун і шлак періодично випускаються.
Вуглець знижує температуру плавлення залізовуглецевого сплаву, тому, опускаючись в нижню частину шахти, сплав починає плавитися додатково насичується вуглецем та іншими елементами, відновленими з руди – марганцем, кремнієм, фосфором, сіркою.
Таким чином, в результаті відновлення заліза, марганцю, кремнію, фосфору та сірки і їх розчиненні в залізі в горні печі утворюється чавун. Разом з чавуном в нижній частині печі збирається шлак – сплав пустої породи, флюсів, золи палива, а також частина невідновлених окислів.
По мірі утворення і накопичення чавун і шлак по різним леткам випускають із печі: чавун – через 3...4 год, а шлак – через 1,0...1,5 год.

Інтенсифікація доменного процесу

Під інтенсифікацією розуміють методи і прийоми прискорення протікаючих процесів у доменній печі з метою підвищення її продуктивності. До них відносяться:
заходи, які направлені на підвищення міцності і якості шихтових матеріалів, у тому числі підвищення основності агломерату, що дозволяє повністю виключити із складу шихти сирий вапняк і знизити витрату коксу;
підвищення тиску газів у печі. Збільшення продуктивності печі на 5-10 %, зниження витрати коксу на 2-5 % і винесення пилу з газом на 35-50 % можна забезпечити за рахунок збільшення тиску газів у пічному просторі. Це, в свою чергу, дозволяє збільшити кількість дуття, що подається в піч, та інтенсифікувати доменну плавку;
збагачення повітряного дуття киснем від звичайного вмісту 21 % до 30-35 % дозволяє збільшити кількість спалюваного в горні коксу і матеріалів, що проплавляються в одиницю часу. Для зниження температури в горні одночасно з киснем вдувають природний газ, який збагачує горновий газ відновниками СО і Н2 і дозволяє на 5-15 % зменшити витрату коксу і підвищити продуктивність печі на 4-7 %;
попереднє підвищення температури повітряного дуття в печі до 1100 – 1200 єС у повітронагрівачах (кауперах) зменшує витрату коксу і кількість шлаку в печі, оскільки в піч поступає більша кількість тепла з дуттям.
Класифікація чавунів за видом зламу і структурою

Як і сталі чавуни містять постійні домішки, але в більших кількостях (3...3,5 % С; 1,5...3,0 % Si; біля 0,5 % Mn; до 0,12 % S та 0,3 % P).
У доменному виробництві виплавляють 3 види чавунів – переробний, ливарний і спеціальний (феросплави).
Переробний чавун відповідно до ДСТУ 3133-95 призначений для сталеплавильного виробництва. Ливарний чавун використовується для виробництва машинобудівних ливарних чавунів в чавуноливарних виробництвах. Для самостійного використання з нього одержують ливарні деталі для різноманітних механізмів і машин ливарними методами.
Переваги чавуну полягають у високих ливарних властивостях і невеликій ціні (у порівнянні зі сталлю). Температура розплавлення чавуну на 300400°С нижча, ніж у сталі, що скорочує процес ливарництва. Чавуни за рахунок вмісту графіту добре обробляються різанням, а також утворюється більш чиста поверхня готових виробів, ніж при обробці сталі.
Чавун має високу твердість і низьку пластичність, він крихкий, тому його неможливо піддавати пластичній деформації. Через низьку пластичність і високий вміст вуглецю чавун погано зварюється.
Ливарний чавун менш крихкий, добре обробляється різанням через високий вміст кремнію, який сприяє графітизації, має добрі антифрикційні властивості, великий опір стисненню, достатньо високу міцність при розтягненні, згинанні, різанні, стискуванні.

Залежно від стану і вмісту вуглецю в чавуні розрізняють: [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] і [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (за кольором зламу, який обумовлюється структурою вуглецю в чавуні у вигляді карбіду заліза або вільного графіту).
Білі чавуни - це чавуни, в яких вуглець перебуває у зв'язаному стані у вигляді цементиту (Fe3C), чавуни, які мають після тверднення ледебуритно-карбідно-перлітну структуру і не містить видимих під мікроскопом включень графіту.

Всі чавуни можна класифікувати за структурою: доевтектичні (вміст вуглецю від 2,14 до 4,3 %); евтектичні (вміст вуглецю 4,3 %); заевтектичні (вміст вуглецю від 4,3 до 6,67 %). Білі чавуни в основному використовують для переробки у сталь; в окремих випадках для виготовлення виробів, які не піддаються високим навантаженням.
Сірі машинобудівні чавуни - це сплави заліза, кремнію (від 1,2 - 3,5%) і вуглецю, що містить також постійні домішки Mn, P, S. Це вид [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], що не містить [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. У структурі таких чавунів більша частина або весь вуглець знаходиться у вигляді графіту, а деяка частка – у зв'язаному стані у вигляді цементиту (Fe3C) . Злам такого чавуну через наявність графіту має сірий колір.
Механічні властивості чавунів обумовлені їх структурою, що визначається не тільки хімічним складом, але й умовами затвердіння. Тому в марках чавунів зазначаються їх властивості.
Графіт у сірому чавуні виділяється у вигляді окремих включень у формі пластинок, пластівців та глобулів (кульок). За формою графітових включень машинобудівні ливарні чавуни поділяться на: звичайні сірі чавуни з формою графітових включень у вигляді пластин; високоміцні – включення графіту кулеподібної форми; ковкі чавуни – включення графіту у вигляді пластівців.
Чавуни з пластинчастими включеннями графіту називають звичайними сірими (рисунок 5.3).

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415 13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415


Рисунок 5.3 – Мікроструктура сірого чавуну
з пластинчастими включеннями графіту (незв’язаного вуглецю)

Назву отримав завдяки сірому кольору поверхні зламу. Сірий чавун характеризується низьким опором відриву, майже повною відсутністю відносного подовження (до 0,5%), досить низькою ударною в'язкістю. Тому чим дрібнішими є графітові пластини і чим більше вони ізольовані одна від одної, тим вищі міцнісні властивості чавунів при одній і тій же металевій основі.
Така структура отримується модифікуванням, тобто введенням в рідкий сплав невеликих кількостей речовин, званих модифікаторами ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], силікокальцій). Значний вплив на процес [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] створює хімічний склад чавуну. Елементами, що сприяють графітизації, є [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] тощо. Практично найбільш важливими елементами, що завжди входять до складу чавунів, є кремній і марганець. Змінюючи в чавуні вміст кремнію при сталому вмісту марганцю, отримують різну кількість вуглецю у вільному вигляді, тобто різний ступінь графітизації.
Фактором, що зумовлюють отримання сірого чавуну при кристалізації, тобто сприяє графітизації – виділення вуглецю в рівноважному стані, є перш за все його мала швидкість охолодження.
Сірі чавуни маркуються (рисунок 5.4) буквами СЧ з цифрою, яка вказує мінімальну границю міцності на розрив або розтяг. Іноді вказують і другу цифру, що означає межу міцності на згин. Наприклад, марка сірого чавуну позначається СЧ15-32: звичайний сірий чавун (СЧ) з межею міцності на розтяг 15 кГ/мм2 (150 МПа) та межею міцності на згин 32 кГ/мм2 (320 МПа).



Рисунок 5.4 – Приклади маркування чавунів

Ковкий чавун – це умовна назва м'якого і в'язкого чавуну, який одержують з білого чавуну шляхом тривалого відпалювання, в результаті якого цементит розпадається з виділенням графіту у вигляді пластівців (рисунок 5.5).
Такі включення роблять чавун міцнішим і більш пластичним ніж сірий та збільшують його ударну в’язкість. Він стійкий до впливу зовнішнього (корозійного) середовища і проти зношування, має добрі ливарні властивості, містить 2,2...3,1 % вуглецю.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415 13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рисунок 5.5 – Мікроструктура ковкого чавуну з графітними включеннями
у вигляді пластівців

Позначають ковкий чавун буквами КЧ, перше число в марці вказує межу міцності на розтяг, друге – відносне видовження, наприклад, КЧ 33-8 (
·в = 33 кГ/мм2 ,
· = 8 %).
Його не кують (обробці тиском не піддається), але він набагато пластичніший за сірий чавун. Ковкий чавун, як і сірий, складається із основи – сталі та містить частину вуглецю у вигляді графіту, проте графітові включення у ковкому чавуні інші за формою (у вигляді пластівців, а не пластин). Властивості ковкого чавуну залежать від металевої основи і розміру включень графіту, чим менші включення графіту, тим міцніший ковкий чавун.
З ковкого чавуну виготовляють деталі складної форми: картери заднього моста автомобілів, гальмівні колодки, трійники, косинці і т. д.
Маркується ковкий чавун двома літерами і двома числами, наприклад КЧ 370-12. Літери КЧ означають ковкий чавун, перше число вказує на межу міцності (в МПа) на розрив, друге число – відносне видовження (у відсотках), що характеризує пластичність чавуну.
Високоміцні чавуни містять включення графіту глобулярної (кулястої) форми (рисунок 5.6), який утворюється в процесі кристалізації.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415 13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рисунок 5.6 – Мікроструктура високоміцного чавуну з глобулярною формою графітних включень

Кулястий графіт послаблює металеву основу не так сильно як пластинчастий, і не є концентратором напружень. Механічні властивості таких чавунів значно вищі: межа міцності на розтяг досягає 1200 МПа, відносне видовження складає 2...17 %, а ударна в’язкість – 0,2...0,6 МДж/м2. такий чавун у ряді випадків може замінювати сталь. Позначають його буквами ВЧ і числами – межею міцності на розтяг і відносним видовженням, наприклад, ВЧ 80-3 (
·в = 80 кГ/мм2,
· = 3 %).

Вплив домішок чавуну на його структуру і властивості

Більша частина вуглецю в сірому чавуні знаходиться у вигляді пластинок (луски) графіту, що частково розмежовує металічну суцільність сплаву (звідси крихкість).
До складу чавуну входить кремній (масовий вміст – 0,8...3,6 %) як компонент, що сприяє утворенню сірого чавуну. Утворюючи з залізом силіциди, він сприяє виділенню графіту. Таким чином, зменшення в чавуні цементиту покращує оброблюваність його різальними інструментами. При цьому також знижується температура плавлення і покращується формоутворення відливок.
Марганець збільшує стійкість карбіду заліза при затвердінні і охолодженні чавуну, що сприяє відбілюванню чавуну. Граничний масовий вміст марганцю в сірому чавуні обмежується 0,51,5 %.
Сірка знижує рідкотекучість чавуну, роблячи його густим, що зумовлює погане заповнення форми, надає чавуну крихкість. Максимально допустимий вміст сірки в ливарному чавуні до 0,07 %.
фосфор створює в чавуні тверду і крихку фосфідну евтектику. Фосфор також знижує температуру плавлення, збільшує його рідкотекучість і зменшує усадку. Це дає можливість одержувати із фосфористого чавуну тонкі відливки з чистою і гладкою поверхнею, що використовуються при художньому литті.

Доцільно відзначити, що на будову чавуну можна впливати, змінюючи його хімічний склад і умови кристалізації та термічної обробки, завдяки чому він стає універсальним ливарним матеріалом з широким комплексом експлуатаційних властивостей.


























Лекція 6 Загальні відомості про виробництво, властивості та застосування сталей в суднобудуванні

Мета: Формування у курсантів компетентності з питань основних металургійних процесів та вихідних матеріалів для виробництва та розливання сталі, будову та властивості вуглецевих сталей, їх маркування та галузі застосування. Вміти визначати склад сталей за їх маркуванням.

1 Поняття про виробництво сталі із чавуну.
2 Характеристика конвертерного способу виробництва сталі.
3 Характеристика способу виробництва сталі в електропечах.
4 Комбіновані способи виробництва сталі.
5 Поняття про розливання сталі. Характеристика видів розливання сталі.
6 Поняття про вуглецеві сталі. Їх класифікація, будова, властивості, позначення, застосування.
7 Класифікація сталей за наступними ознаками:
а) хімічним складом; б) призначенням; в) якістю; г) способом виробництва; д) будовою; е) способами розкислення.
8 Вплив домішок на властивості вуглецевих сталей.
9 Переваги і недоліки вуглецевих сталей.
10 Поняття про леговані сталі та їх використання в суднобудуванні.

Рекомендована література

[1. с. 195 – 214, 291 – 314; 2. с. 137 – 156, 198 – 214; 3. с. 13 – 16; 4. с. 58 – 61; 5. с. 180 – 221, 341 –363; 6. с. 77 – 88, 108 – 123; 7. с. 18 – 20; 8. с. 20 - 25]

Поняття про виробництво сталі із чавуну

Сталь відрізняється від чавуну хімічним складом – меншим вмістом вуглецю, кремнію, марганцю, домішок сірки та фосфору. Виходячи з особливостей технології виробництва сталі, основною сировиною для її одержання є передільний чавун та стальний металобрухт. Передільний чавун, як правило, містить 3,8...4,4 % С, 0,2...2,0 % Si, 0,6...3,5 % Mn, 0,07...1,6 % P, 0,03...0,08 % S.
Суть переробки чавуну в сталь полягає у зменшенні до потрібної концентрації вмісту вуглецю і шкідливих домішок ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] і [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]), які роблять сталь крихкою і ламкою, і переводу їх у шлак або гази. То ж сталь одержують шляхом окислення надлишку С, Si, Mn, S та P.
Залежно від способу окиснення вуглецю існують різні способи переробки чавуну на сталь: конверторний, мартенівський і електротермічний. Як зазначалося раніше, до фінансової кризи в 2008 році Україна залишалася однією з небагатьох країн, де широко використовувався мартенівський спосіб виплавки сталі, що є досить енергозатратним та екологічно шкідливим. Наразі більшість мартенівських печей в Україні виведено з експлуатації, а ті що лишилися, невдовзі також будуть закриті. Таким чином зараз в Україні, як і в усьому світі, переважна більшість сталевої продукції виробляється конвертерним способом.
Україна на разі входить у десятку найбільших виробників та експортерів сталі у світі.
В даний час основним способом переробки чавуну, що виплавляється в доменній печі, став киснево-конвертерний процес. Важливою особливістю виробництва сталі є відносна легкість її повторного використання. І кисневий конвертер, і мартенівська піч можуть працювати з великим відсотком сталевого брухту (скрапу), а електропіч – і просто на одному скрапі. Це набуває особливо важливе значення в наші дні, коли загострилася проблема видалення відходів. Вартість повторного використання значною мірою залежить від якості металобрухту. Найбільшу цінність представляє великий металобрухт, походження якого (хімічний склад) відомо. Деякі кількості такого скрапу надходять з металообробних заводів, а ще більше – після розбирання застарілого заводського і залізничного устаткування і переробки на металобрухт морських та річкових суден.
Легуючі елементи зазвичай додають в сталь у вигляді феросплавів. Феросплави містять значні кількості заліза, яке служить носієм легуючих елементів. До найбільш важливих феросплавам відносяться феромарганець, необхідний для всіх сталей; феросиліцій, застосовуваний для отримання сталей зі спеціальними магнітними властивостями і для розкислення сталей, виплавлюваних в електропечах; ферохром і ферованадій. Нікель додається у вигляді бездомішкового металу.

Характеристика конвертерного способу виробництва сталі

Суть киснево-конвертерного процесу полягає у продуванні рідкого чавуну киснем. За цим способом окиснення надлишку вуглецю та інших домішок чавуну проводять киснем повітря, який продувають крізь розплавлений чавун під тиском у спеціальних печах – конверторах.
Кисневий конвертер (рисунок 6.1) представляє собою посудину грушовидної форми із стального листа, внутрішня частина якого футерована основними вогнетривкими матеріалами. Він може повертатися навколо своєї осі. Місткість конвертора 50 – 60 т сталі. Матеріалом його футеровки служить або динас (до складу якого входять головним чином SiO2; що має кислотні властивості), або доломітна маса (суміш CaO і MgO, які одержують з [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] MgCO3 · CaCO3.
Робоче положення конвертера – вертикальне. Кисень подається в нього під тиском 0,8...1,0 МПа за допомогою водоохолоджуваної фурми, що введена в конвертер через горловину і розташована над рівнем рідкого металу на відстані 0,3...0,8 м.
Перед початком роботи у конвертер завантажують біля 30 % стального металобрухту, потім заливають рідкий чавун при температурі 1250...1400 єС, вводять кисневу фурму, подають кисень і додають матеріали, що утворюють шлаки.
В момент, коли вміст вуглецю досягає заданого значення для даної марки сталі, подачу кисню припиняють, конвертер повертають і виливають спочатку сталь, а потім – шлак. Продуктивність кисневого конвертера ємністю 300 т досягає 400...500 т/год, в той час як продуктивність мартенівських і електропечей не перевищує 80 т/год.


Рисунок 6.1 – Кисневий конвертер: а) схема будови конвертера (1 – ванна;
2 – водоохолоджувана фурма; 3 – отвір для виливу чавуну); б) загальний вигляд


Характеристика способу виробництва сталі в електропечах

Для одержання високоякісної сталі застосовують методи спеціального переплавлення, що змінюють структуру сталі і покращують її властивості. До таких методів можна віднести переплав у вакуумній індукційній печі (одержується сталь чиста за газами, сіркою та фосфором), у вакуумній дуговій печі, електрошлаковий переплав, позапічна обробка тощо.
Порівняно з іншими плавильними агрегатами електропечі володіють рядом переваг: здатністю швидкого нагрівання і підтримання заданої температури в межах 2000 єС, можливістю створення окислювальної, відновлювальної та нейтральної атмосфери, а також вакууму. Це дозволяє виплавляти в електропечах сталі і інші сплави з мінімальною кількістю шкідливих домішок та сталі зі спеціальними властивостями. Металургійні електричні печі поділяють на дугові і індукційні.
У дуговій електропечі джерелом тепла є електрична дуга, що виникає між електродами діаметром 350...550 мм і шихтою при подачі на електроди напруги 200...600 В і струму 1...10 кА. Плавка з окисленням схожа з мартенівським процесом. Плавка без окислення застосовується для одержання легованих сталей.
Індукційні печі порівняно з дуговими мають ряд переваг:
- відсутність дуги дозволяє виплавляти метали з малим вмістом вуглецю і газів;
- електродинамічні сили, що виникають, перемішують рідкий метал, вирівнюючи хімічний склад і умови спливання неметалічних включень;
- ці печі мають невеликі розміри, що дозволяє розміщувати їх в спеціальних камерах, створюючи будь-яку атмосферу чи вакуум.
В цих печах плавку звичайно проводять методом переплавки легованих сталей або чистого за сіркою та фосфором вуглецевого скрапу і феросплавів.
Тривалість плавки в індукційній печі ємністю 1 т складає 45 хв, витрати електроенергії на 1 т сталі – 600...700 кВт·год.

Поняття про розливання сталі. Характеристика видів розливання сталі

Виплавлену в плавильній печі сталь випускають у сталерозливний ківш і мостовим краном переносять до місця розливання злитків.
Сталь розливають у виливниці або кристалізатори установок для безперервного розливання.
Виливниця представляє собою чавунну форму для одержання злитків різного перерізу. Маса злитків для прокату становить 10...12 т, а для поковок досягає 250...300 т. Застосовують два способи розливання сталі у виливниці: зверху (рисунок 6.2, а) і сифоном (рисунок 6.2, б).
При розливанні сталі із ковша у виливниці (чавунні, рідше стальні) кожна заповнюється металом окремо.
Розливання сифоном здійснюється у виливниці внизу вверх одночасно у 2...60 встановлених на піддоні виливниць через центровий ливник і канали у піддоні. При цьому забезпечується плавне, без розбризкування, їх заповнення; поверхня злитка – чиста, скорочується час розливання. Недоліком цього способу є забруднення металу неметалічними включеннями.


Рисунок 6.2 – Схеми розливання сталі: а) зверху (1 – ківш; 2 – виливниця; 3 – піддон); б) знизу сифоном (4 – центральний стояк; 5 – утеплювач;
6 – футерівка)
Поняття про вуглецеві сталі. Їх класифікація, будова, властивості, позначення, застосування

Наявність невеликої кількості домішок в сталі суттєво не впливають на положення критичних точок і характер ліній на діаграмі стану залізо-цементит. Тому з певним наближенням сталь можна розглядати як подвійний сплав заліза з вуглецем.
Спочатку розглянемо евтектоїдну сталь – сталь з концентрацією вуглецю рівною 0,8 %. При охолодженні розплаву по лінії ліквідусу починають випадати кристали аустеніту і по лінії солідусу кристалізація закінчується. В точці S однорідний аустеніт розпадається з утворенням тонкої механічної суміші зерен фериту і цементиту. Ця суміш зветься перлітом. Таким чином, евтектоїдна сталь представляє собою один перліт (рисунок 6.3).
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рисунок 6.3 – Мікроструктура евтектоїдної сталі: а) перліт пластинчастий; б) перліт зернистий.

В сталі з концентрацією вуглецю менше ніж 0,8 % по лінії GS відбувається вторинна кристалізація сталі: алотропне перетворення
·-заліза в
·-залізо і виділення фериту. Кількість вуглецю в залишковому аустеніті поступово зростає і доходить до евтектоїдного складу (0,8%). При температурі 727 єС після закінчення випадання кристалів фериту починає розпадатися залишковий аустеніт в суміш фериту і цементиту (перліт). Таким чином, сталь з концентрацією вуглецю менше 0,8 % представляє собою суміш зерен фериту і перліту (рисунок 6.4).

Рисунок 6.4 – Мікроструктура доевтектоїдної сталі:
(ферит – світлі ділянки, перліт – темні).

В сталях з концентрацією вуглецю більше ніж 0,8 % при охолодженні по лінії SE починається вторинна кристалізація: аустеніт розпадається з утворенням цементиту (рисунок 6.5). Кількість вуглецю в аустеніті поступово зменшується. Таким чином, сталі, що містять вуглецю більше ніж 0,8 %, складаються із зерен перліту і цементиту, що розташовується по границях зерен перліту.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рисунок 6.5 – Мікроструктура заевтектоїдної сталі: вторинний цементит у вигляді світлої сітки на границях зерен перліту.

Властивості сталі залежать від її складу і структури. Ферит – м’яка і пластична фаза, а цементит, навпаки, твердий і крихкий. Перліт містить 1/8 цементиту і тому має підвищені міцність і твердість порівняно з феритом.

Класифікація сталей за наступними ознаками:

а) за хімічним складом сталі поділяють на вуглецеві та леговані. Крім того, сталі містять окрім вуглецю – до 0,4 % Si, 0,50,8 % Mn і по 0,2...0,6 % S і P. Кремній і марганець є корисними домішками; розчиняючись у фериті, вони зміцнюють сталь. Сірка і фосфор – небажані домішки, від них намагаються позбутися. Сталі, в яких містяться спеціально введені домішки (легуючі елементи), що змінюють їх властивості, називаються легованими;
б) за вмістом вуглецю сталі поділяють на низьковуглецеві (до 0,3 % С), середньовуглецеві (0,3...0,6 % С) та високовуглецеві (понад 0,6 % С);
б) за призначенням всі вуглецеві сталі поділяють на конструкційні (С
· 0,8 %) та інструментальні (С
· 0,8 %). У легованих сталях легуючі елементи змінюють їх властивості. Легуючі елементи підвищують міцність сталі. Найбільше сталі зміцнюють кремній, марганець і нікель;
в) за якістю та способами розкислення сталі поділяють в залежності від вмісту в них шкідливих домішок – сірки та фосфору.
До конструкційних сталей звичайної якості відносять сталі з вмістом сірки та фосфору до 0,04...0,06 % . Позначаються ці сталі буквами Ст і цифрою – номером сталі, наприклад, Ст1, Ст3, , а також вказується ступінь розкислення сталі: кипляча (кп), напівспокійна (пс), спокійна (сп), наприклад, Ст2кп, Ст4сп. У якісних конструкційних сталях міститься менше сірки та фосфору (
·0,04 %). Їх позначають словом сталь і числами 08, 10, 15, 20, ..., 85 – середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка (рисунок 6.6).


Рисунок 6.6 – Приклади маркування вуглецевих сталей

Інструментальні сталі поділяють на якісні: У7, У8...У12, У13 та високоякісні: У7А, У8А...У12А, У13А. Числа в марці сталі вказують на вміст вуглецю у десятих долях відсотка, а буква А – на високу якість. Інструментальні сталі використовують для виготовлення різальних, штампувальних, вимірювальних та інших інструментів;
г) за способом виробництва вуглецеві сталі звичайної якості випускаються гаряче- та холоднокатаними, у вигляді заготовок з установок безперервного лиття, труб, поковок, штамповок, стрічок, дротів. Вуглецева якісна сталь випускається гарячекатаною і кованою;
д) за будовою сталі можуть бути відповідно перлітні, карбідні, феритні, аустенітні та мартенситні. Зазначені сталі відрізняються між собою механічними та технологічними властивостями.

Вплив домішок на властивості вуглецевих сталей

Крім вуглецю, у складі вуглецевої сталі завжди присутні кремній, марганець, сірка і фосфор, які певним чином впливають на властивості сталі. З підвищенням масового вмісту вуглецю твердість, часовий опір
·в і межа пружності
·пр зростають, разом з тим відносне видовження
· зменшується.
Постійні домішки сталі звичайно містяться в межах (%): кремній – до 0,5; сірка – до 0,05; марганець – до 0,7; фосфор – до 0,05.
Кремній і марганець в зазначених межах суттєво на властивості сталі не впливають. З підвищенням їх масового вмісту спостерігається зростання твердості і міцності сталі. Такі сталі вже вважаються легованими.
Сірка являється шкідливою домішкою, бо утворені нею хімічні сполуки з залізом підвищують червонокрихкість сталі; при цьому знижуються пластичність і міцність, опір стиранню і корозійна стійкість.
Фосфор придає сталі холодноламкість (крихкість при звичайній та пониженій температурі).

Переваги і недоліки вуглецевих сталей

Суть процесу переробки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] на сталь полягає у зменшенні до потрібної концентрації вмісту вуглецю і шкідливих домішок – [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] і [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], які роблять сталь крихкою і ламкою.
Переваги вуглецевих якісних сталей – дешевина й технологічність. Але через малу прожарюваність ці сталі не забезпечують необхідний комплекс механічних властивостей у деталях перерізом більше 20 мм.
Перевага вуглецевих інструментальних сталей полягає в основному в їх дешевизні і достатньо високій твердості ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] 60...62) в порівнянні з іншими інструментальними матеріалами. До недоліків слід віднести малу [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] і низьку [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (250єС). У разі більшої температури твердість інструменту значно знижується і він втрачає свої різальні властивості.
З вуглецевих інструментальних сталей виготовляють [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], ножівкові полотна, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] та інші інструменти.

Поняття про леговану сталь

Низка механічних властивостей таких, як міцність, в’язкість, жаро- та холодостійкість вуглецевих сталей у багатьох випадках не задовольняють умови роботи деталей машин в двигунах внутрішнього згоряння, в машинобудуванні та в інструментальному виробництві.
Покращити властивості сталей можна шляхом введення в них легуючих елементів. Такі сталі називають легованими. Легуючі елементи вводять в сталь для підвищення її конструкційної міцності. Основною структурною складовою в конструкційній сталі є ферит, що займає в структурі не менше 90 % за об'ємом. Розчиняючись у фериті, легуючі елементи зміцнюють його.
Отже, головне призначення легування: підвищення міцності сталі без застосування термічної обробки шляхом зміцнення фериту, розчиненням в ньому легуючих елементів. Легуючі елементи можуть розчинятися у фериті або аустеніті, утворювати карбіди, давати інтерметалідні сполуки, розташовуватися у вигляді включень, не взаємодіючи з феритом і аустенітом, а також з вуглецем. Залежно від того, як взаємодіє легуючий елемент із залізом або вуглецем, він по-різному впливає на властивості сталей. У фериті більшою чи меншою мірою розчиняються практично всі елементи.

Розподіл легуючих елементів у сталях

Для легування сталей застосовують наступні елементи, які позначають відповідними буквами кирилиці:
А – азот, Ю – алюміній, Р – бор, Ф – ванадій, В – вольфрам, К – кобальт, С – кремній, Г – марганець, Д – мідь, М – молібден, Н – нікель, Б – ніобій, Е – селен, Т – титан, П – фосфор, Х – хром, Ц – цирконій та ін.
Якщо в сталь ввести один легуючий елемент, то сталь і називають за цим елементом; і зветься вона потрійною, бо містить залізо, вуглець і легуючий елемент. Із потрійних сталей застосовують хромисту, марганцевисту та кремнисту. При наявності в сталі двох і більше легуючих елементів утворюється складно-легована сталь (хромонікелева, хромокремнистованадієва та ін.). У більшості легованих сталей присутніми є хром, кремній і марганець.

Класифікація легованих сталей

За сумарним масовим вмістом легуючих елементів (у відсотках) сталі можуть поділятися на низьколеговані (до 2,5 %), середньолеговані (2,5-10 %) та високолеговані (більше 10 %) .
За призначенням леговані сталі поділяють на: конструкційні, інструментальні та зі спеціальними фізичними властивостями. До конструкційних легованих сталей належать сталі, які застосовуються для виготовлення цементуючих та покращених термообробкою деталей машин, пружин, шарикопідшипників, жаро-міцні, зносо- та корозійностійкі сталі. Ці сталі легуються різними елементами, зокрема: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, Ti, Al і ін.
До інструментальних відносяться сталі для різального, штампувального, вимірювального інструменту, які повинні володіти значною твердістю та зносостійкістю. Тому їх легують в основному елементами, що утворюють карбіди – Cr, W, V, Mo та ін.
До сталей зі спеціальними властивостями належать магнітні матеріали з високим електричним опором, із заданим коефіцієнтом лінійного розширення, з особливими пружними властивостями. В цих матеріалах переважно значний вміст Ni, Cr, Co і ін.

Характеристика легованих конструкційних сталей, їх позначення і застосування

Леговані конструкційні сталі застосовуються для найбільш відповідальних і важконавантажених деталей машин. Практично завжди ці деталі піддаються кінцевій термічній обробці – загартуванню з наступним високим відпуском в межах 550-680 єC (поліпшення), що забезпечує найбільш високу конструкційну міцність.
Конструкційні низьколеговані сталі загального призначення містять 1,5 – 2,5 % легуючих елементів, які зумовлюють покращення механічних властивостей сталі порівняно з вуглецевими.
Низьколеговані сталі широко використовуються в авто- та суднобудуванні.
Дві цифри, що стоять на початку маркування легованої сталі, вказують на конструкційні сталі (одна цифра - на інструментальні). Це вміст в сталі вуглецю в сотих долях відсотка (рисунок 6.7).



Рисунок 6.7 – Приклад маркування легованої сталї

Для важких умов тривалих і вібраційних навантажень рекомендовані сталі марок 10ХСНД, 15ХСНД, термооброблена сталь 10Г2С; для конструкцій без динамічних навантажень – 14Г2, 14Г2АФ, для труб великого діаметра газогонів – 17ГС, 14Г2САФ ін.
Конструкційні сталі виробляють покращеними (термооброблені), цементуючими (з підвищеними твердістю та зносостійкістю поверхневого шару), автоматними (з добрими властивостями при механічній обробці).

Характеристика легованих інструментальних сталей, їх маркування і застосування

Як зазначалося раніше до інструментальних відносяться сталі для різального, штампувального, вимірювального інструменту, які повинні володіти значною твердістю та зносостійкістю, а також значною червоностійкістю..
Для ударно-штампувального інструменту використовують високолеговану хромисту сталь, наприклад, марок Х12М (~1,5 % С і 11,5...13,0 % Cr і 0,5 % Мо), Х12ВМ і ін. Для різального інструменту використовують: для різців, свердел, фрез – сталь 9ХС, мітчиків, свердел, розгорток – ХВГ, 9Х5ВФ, для різання твердих матеріалів – ХВ5.
Швидкорізальні інструментальні сталі – це високолеговані інструментальні сталі, що характеризуються значним вмістом [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (6...19 %), [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (3...4,5 %), [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (3...6 %) і володіють червоностійкістю. Під час нагрівання в процесі різання до високих температур (600...650єС) вони не втрачають своєї твердості і різальних властивостей. Швидкорізальна інструментальна сталь поєднує в собі високу теплостійкість з високою твердістю, зносостійкістю (при підвищених температурах) і підвищеним опором пластичній деформації. Застосовується для виготовлення верстатних різальних інструментів (різців, свердел, розгорток, фрез, зенкерів та ін.) застосовують сталі Р9, Р12, Р18, Р6М3, Р6М5, Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф2 та ін.
Позначення марки сталі: Р – швидкорізальна сталь, цифра – вміст [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] в десятих долях відсотка, М, К, Ф – легована [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] або [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], відповідно.
До таких сталей належать сталі марок Р18, Р12, Р5М5, Р14Ф4, Р9К10 та ін. Зокрема, для різання конструкційних матеріалів використовують сталі Р9, Р12, Р18; для різьбонарізних інструментів – Р6М5; для обробки в’язких матеріалів – Р18К5Ф2 та ін.
Основними легуючими елементами, що забезпечують теплостійкість швидкорізальних сталей, є вольфрам і його хімічний аналог молібден, а також ванадій. Суттєво підвищує теплостійкість швидкорізальних сталей кобальт.
У суднобудуванні широко використовуються низька легованих сталей, що володіють необхідними властивостями, зокрема, корпусні, якірні та ін. Серед корпусних сталей слід виділити хромисті – 08Х13, 12Х13, 20Х13; корозійностійкі (хромонікелеві) – 08Х18Н10, 12Х18Н10, 12Х18Н10Т; аустенітні (високоазотисті) – 04Х20Н14Г6М2АСБ, 04Х20Н6Г11М2АФБ.
Зважаючи на високу вартість легованих сталей суттєвої уваги для суднобудування заслуговують двошарові корозійностійкі (біметалеві) корпусні сталі, у яких в якості основи використовують сталь 20, Ст3сп, 16ГС, 09Г2С, а нанесений шар – легована сталь марок 08Х18Н10Т, 08Х17Т та ін.
Одержують двошарові (біметалеві) сталі шляхом термо-механічного покриття – нанесення на поверхню металевих листів, плит, дроту, труб тонкого шару іншого металу або сплаву термомеханічним способом. Здійснюється це в процесі гарячого плющення (прокату між валками), пресування, а також методом зварювання вибухом. Зчеплення між металами здійснюється в результаті дифузії під впливом спільної деформації гарячої заготівки.
Такі сталі практично не піддаються корозії у річковій та морській воді, зменшують налипання ракушок тощо. Серед якірних сталей слід виділити, зокрема, сталь 20, 25Л-ІІІ, ВСТ3сп та ін.

Переваги і недоліки легованих сталей

Вуглецеві сталі досить дешевші, але мають ряд недоліків, у першу чергу – не мають спеціальних властивостей. Тому для виробів, що працюють у складних умовах, наприклад високих тисків, високих температур, корозійного впливу середовищ, застосовують леговані сталі, у які, крім вуглецю і постійних домішок, вводяться спеціальні легуючі елементи з метою зміни експлуатаційних властивостей.
Леговані інструментальні сталі[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (сталі з підвищеною прогартовуваністю) мають покращену різальну здатність внаслідок наявності в їх хімічному складі таких легуючих елементів як [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] та ін.
Теплостійкість їх досягає 350єС. Твердість після термічної обробки HRC 62...64. Виготовлені інструменти з цих сталей можна використовувати для роботи на помірних швидкостях різання.
Найпоширеніші марки легованих інструментальних сталей такі: хромисті (9Х, Х), хромовольфрамові (ХВ5), хромовольфрамо-марганцеві (ХВГ), хромокремниста (9ХС). З них виготовляють [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] та інші [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
Основним недоліком легованих сталей є висока вартість через складність технології їх виробництва.
































Лекція 7 Поняття про кольорові метали та їх сплави: характеристика, будова, властивості, маркування, застосування

Мета: Сформувати у курсантів компетентність в питаннях класифікації кольорових металів та їх сплавів, будови, властивостей, позначень і застосування.

1 Класифікація кольорових металів.
2 Властивості і застосування міді.
3 Характеристика сплавів на основі міді.
4 Властивості і застосування алюмінію.
5 Характеристика сплавів на основі алюмінію.
6 Титан і характеристика сплавів на основі титану.
7 Характеристика сплавів на основі магнію.

Рекомендована література
[1. с. 315 –336; 2. с. 215 – 249; 4. с. 85 – 129; 5. с. 564 – 627; 6. с. 124 – 132; 8. с. 25 - 28]

Класифікація кольорових металів

Кольорові метали, як правило, мають характерне кольорове забарвлення (червоне, жовте, біле), значну пластичність, малу твердість, відносно низьку температуру плавлення. Вони поділяються умовно на такі групи: легкі, важкі, дорогоцінні, лужні та лужноземельні, рідкісні (рідкісноземельні). Класифікація кольорових металів за густиною показана на рисунку 7.1.

Кольорові метали
(з характерним кольоровим
забарвленням)















Рисунок 7.1 – Класифікація кольорових металів за густиною
До легких металів з густиною менше 5,0 г/см3 належать: магній, берилій, алюміній, титан, літій, калій, натрій, кальцій та ін. На практиці ці метали (за винятком алюмінію) застосовуються у вигляді сплавів. Алюміній і сплави на його основі є найпоширенішими.
До важких кольорових металів належать метали з густиною, що перевищує 5,0 г/см3, зокрема: свинець, вісмут, мідь, олово, хром, цинк, сурма та ін. Найважчими елементами є [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (22,48 г/смі), [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (22,46 г/смі), [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (19,3 г/смі) і [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (19,3 г/смі).
За температурою плавлення кольорові метали підрозділяють на:
- легкоплавкі, що мають Тпл. до 600 °C ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] й ін.);
- середню Тпл. (600 – 1600 °C) має [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ];
-  тугоплавкими вважаються метали, що плавляться при температурах вище 1 600 єC – [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] і ін.
Серед кольорових металів є маломіцні, з [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] при [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
·в < 50 МПа (олово, свинець, вісмут, кадмій). Практично всі метали, що є основою сучасних [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], цинк, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] і інші) мають
·в до 500 МПа.
За пластичністю кольорові метали підрозділяють на пластичні (з відносним видовженням
· більше 3 – 5 %) і крихкі. Більше кольорових металів є [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. До крихких металів відносяться [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], сурма, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Пластичність металів сильно залежить від концентрації в них природних домішок. Чим чистіше метал, тим він більш пластичний.
За електропровідністю:
- більшість кольорових металів мають високу [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (срібло, мідь, золото, алюміній).
За корозійною стійкістю:
- корозійностійкими є [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
Кольорові метали є дорогими. І все ж таки, кольорові метали і сплави, незважаючи на їх більш високу вартість у порівнянні з чорними, використовуються в техніці також дуже широко. Це пояснюється тим, що вони характеризуються рядом унікальних природних властивостей: високими тепло- та електропровідністю, достатньою корозійною стійкістю, більш високою пластичністю ніж чорні метали та сплави, меншою густиною тощо.
У техніці найчастіше застосовують такі кольорові метали як алюміній, мідь, магній, титан, цинк та ін.

Властивості і застосування міді

Одним з найпоширеніших важких кольорових металів є мідь. Це червоно-рожевого кольору мономорфний метал з питомою густиною
· = 8,96 г/см3 і температурою плавлення tпл. = 1083 °С, утворює ГЦК решітку, має високу електричну провідність, тому широко застосовується в електротехніці. У відпаленому стані мідь має міцність
·в
· 250 МПа, твердість НВ 45, значну пластичність (
·
· 50%). Завдяки значній пластичності міді з неї виготовляють листи, стрічки, прутки, дріт.

Характеристика сплавів на основі міді

Основні сплави міді – латунь і бронза. За технологічною ознакою вони поділяються на деформовані та ливарні.

Латунь – це деформований сплав міді з цинком (до 43 % Zn). Маркуються латуні буквою "Л" і цифрою, що вказує приблизний вміст міді у відсотках (Л96, Л70 та ін.).
У позначеннях легованих латуней після букви "Л" вказують інші букви і цифри, що показують відповідно назву легуючих елементів та їх процентний вміст. Наприклад, ЛС60-1 (60 % Cu, 1 % Pb, решта – Zn). Для підвищення міцності та корозійної стійкості, покращення технологічних властивостей у склад латуней вводять Ni, Pb, Sn, Si та інші елементи. З латуні виготовляють листи, прокат, труби, сильфони, втулки тощо.
Легуючі елементи (Sn, Al, Mn, Pb, Si, Fe), що входять до складу складних латуней, змінюють їх структуру і властивості, а самі латуні відповідно називаються олов’янистими, алюмінієвими, марганце- вистими, свинцевистими, кременистими або алюмінієвозалізо-марганцевистими тощо.
Так, латунь ЛА77- 2 – стійка до ударної корозії і застосовується в морському суднобудуванні для виготовлення конденсаторних труб. Латунь ЛАН59 - 3 - 2 застосовується в морському суднобудуванні, в електричних машинах і в хімічному машинобудуванні для високоміцних і хімічно стійких виробів, що працюють при кімнатній температурі.
Бронза – це, як правило, ливарний сплав міді з усіма елементами (оловом, алюмінієм, берилієм та ін.), крім цинку. Здебільшого до складу бронзи входить [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Частка олова у бронзах може становити від 1,25 до 10 %. Серед неметалічних елементів найчастіше до складу бронзи входить [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Типова бронза має склад: 94,65 % – [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], 5 % – [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], 0,35 % – [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Фосфор надає бронзам додаткової [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], та збільшує [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Бронза має достатньо високі ливарні та антифрикційні властивості, корозійну стійкість у прісній і морській воді, а також у газовій атмосфері при високих температурах. Із бронзи виготовляють пружини, підшипники ковзання, арматуру, деталі з високою тепловою та електричною провідністю у поєднанні з достатньо значною корозійною стійкістю, фасонне та художнє литво.
У нагартованому стані кременисті бронзи застосовується для виготовлення пружин і пружних деталей, а також замість олов'янофосфористих і олов'яноцинкових бронз для деталей різного призначення. З кременистої бронзи Бр К1Н3, Бр К3Мц1 виготовляються зносостійкі деталі всіх видів для хімічних апаратів, пружини і пружні деталі, деталі для суднобудування, а також зварних конструкцій, що працюють при підвищених температурах. Кременисті бронзи, додатково леговані марганцем, в результаті значної холодної деформації набувають підвищеної міцності та пружності і у вигляді стрічок чи дроту використовуються для виготовлення різноманітних пружних елементів.
Бронза Бр А10Ж3Мц2 має міцність 578 МПа, твердість HB 98...118 і застосовується для виготовлення зубчастих коліс, втулок, клапанів; Бр С30, Бр С30Н2 – має міцність 490 МПа, твердість HB 25 і використовується для виготовлення важконавантажених підшипників.
Однофазні бронзи добре оброблюються тиском, двохфазні бронзи володіють добрими ливарними властивостями. В залежності від вмісту легуючих елементів бронзи виготовляють олов’янистими (4...14 % Sn), алюмінієвими (5...11 % Al), кременистими (1...4 % Si), свинцевистими (25...30 % Pb), берилієвими (до 3 % Ве).
Бронзи маркуються буквами "Бр", після яких записують буквене позначення легуючих елементів і цифри, що вказують їх процентний вміст. Наприклад, Бр 08Ц4С3 (Sn-8 %, Zn-4 % , Pb-3% , решта – мідь).

Властивості і застосування алюмінію

Алюміній (Al) – це метал сріблясто-білого кольору, що має малу густину
· = 2,7 г/см3 і температуру плавлення tпл.
· 660 єС, має високі електро- та теплопровідність. Алюміній має [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. У відпаленому стані має незначну міцність на розтяг
·в = 80...100 МПа, невисоку твердість (НВ 25...30) та достатню пластичність (
·
· 45 %). Висока електрична провідність (60 % від міді) та низька густина чистого алюмінію обумовили його застосування в електротехніці як провідникового матеріалу, а корозійна стійкість – застосування в хімічному машинобудуванні. Для легування алюмінію застосовують Cu, Si, Mg, Mn, Zn, рідше – Ni, Ti, Cr та ін.

Характеристика сплавів на основі алюмінію

Характеристика сплавів на основі алюмінію. Алюмінієві сплави за технологічною ознакою поділяються на деформовані та ливарні. Серед деформованих розрізняють такі, що зміцнюються термообробкою (дюралюміній, авіаль, алюміній кувальний тощо), та такі, що не зміцнюються (сплави алюмінію з марганцем, магнієм).
Одним з основних деформованих сплавів є дюралюміній – сплав в системі елементів (Al, Cu, Mg) з домішками Мn. Маркується дюралюміній буквами "Д" і цифрами, що вказують номер сплаву. Наприклад, Д1, Д16. Д1 – класичний дюралюміній (3,54,5% Cu; 0,40,8% Mg; 0,41,0 Mn). Дюралюміній часто застосовується у літакобудуванні як такий, що має значну міцність у поєднанні з малою густиною (деталі каркасу, обшивка, шпангоути, тяги керування, лопаті повітряних гвинтів тощо). Вітчизняна металургійна промисловість постачає суднобудуванню значний асортимент деформованих алюмінієвих сплавів, придатних для виготовлення суднових корпусних конструкцій, що працюють в умовах та середовищі мореплавання.
Алюміній і сплави на його основі знаходять все більш широке застосування в суднобудуванні. З алюмінієвих сплавів виготовляють корпуси суден, палубні надбудови, комунікацію і різного роду суднове устаткування. Основною перевагою при використанні алюмінію та його сплавів у суднобудуванні порівняно зі сталлю є суттєве зниження маси суден, яке досягає 5060 %. В результаті цього представляється можливість значно підвищити вантажопідйомність суден та поліпшити їх техніко-економічні показники, зокрема, швидкість, маневреність і ін.
Найбільш широке застосування серед алюмінієвих сплавів для виготовлення конструкцій річкового і морського флоту знаходять сплави з магнієм АМгЗ, АМг5, АМг61 – магналії (сплави алюмінію (основа) з магнієм (5-13%) та ін. елементами – мають високу корозійну стійкість, хорошу зварюваність, високу пластичність: з них виготовляють фасонні відливки (ливарні магналії) та листи, дріт, заклепки і ін. (магналії, що деформуються), а також сплави з марганцем АМц і Д16.
Корпус судна підвищеної вантажопідйомності виготовляють зі сталі, тоді як надбудови та інше допоміжне обладнання з алюмінієвих сплавів. Має місце виготовлення риболовецьких баркасів зі сплаву АМг5 (обшивка). Магналії використовують у світовій воєнній справі – танкову броню – Амг6.
Ливарні сплави алюмінію відрізняються достатньо високою рідкотекучістю, малою усадкою, досить високою механічною міцністю.
Кращі властивості мають так звані силуміни (сплави алюмінію з кремнієм). Вони маркуються так: АЛ2, АЛ9 (цифра вказує номер сплаву, а букви означають, що це – алюмінієвий ливарний сплав). Із силуміну виготовляють арматуру, кронштейни, литі деталі приладів, фасонне литво тощо. Разом з тим, силуміни завдяки кремнію більш крихкі , ніж, скажімо, алюміній або дюралюміній.

Титан і характеристика сплавів на його основі

Титан – парамагнітний поліморфний метал сталевого кольору з температурою плавлення tпл.
· 1660 ± 20 єС і густиною
· = 4,5 г/см3, володіє межею міцності
·в = 250 МПа, відносним видовженням
·
· 20...30 %, твердістю НВ
· 100...140, високою корозійною стійкістю.
Титан існує в двох кристалічних модифікаціях:
·-Ti – з [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]кристалічною граткою, та
·-Ti – з [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]решіткою, температура поліморфного перетворення
·
· становить 883 єС.
Титан володіє високою в’язкістю. При звичайній температурі покривається захисною плівкою TiO2, тому корозійностійкий. Титановий пил має властивість вибухати. Температура спалаху 400 єС.
Покращення механічних властивостей досягається легуванням деякими елементами: Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Sn, Ga, Ge, La, Nb, Ta, Zr, W, Mo, Co, Si та ін. Ці сплави мають підвищену міцність, корозійну стійкість тощо. Практично всі сплави титану містять алюміній, який підвищує межу міцності сплавів та зменшує їх пластичність.
Легування і його термічна обробка дозволяє одержати сплави на основі титану з межею міцності на розтяг до 13001600 МПа.
Завдяки малій густині, високій міцності, корозійній стійкості, низькому коефіцієнту теплового розширення, можливості роботи в широкому діапазоні температур титан та його сплави знаходять широке застосування в суднобудуванні, авіаційній та хімічній промисловості. З титанових сплавів виготовляють обшивки літаків, морських судів, підводних човнів, корпусу ракет, двигунів, деталей турбін, компресорів, гребні гвинти, балони для зріджених газів, місткості для хімічних засобів і багато інших виробів.
Титан і його сплави (ГОСТ 19807-91) маркують буквами "ВТ" і порядковим номером. Серед найбільш популярних титанових сплавів, варто відмітити наступні з відповідним маркуванням:
ВТ5 і ВТ5 - 1 – зварюваний сплав з вмістом алюмінію 4 % - 6 %;
ОТ4, ОТ4 - 0 і ОТ4 - 1 – алюмінієво-магнієвий титановий сплав, що відрізняється відмінною зварюваністю;
ВТ18, ВТ20 – жаростійкі сплави з підвищеним вмістом алюмінію до 8 %;
ВТ22 – титановий сплав, що не містить алюмінію, легований ванадієм (біля 5 %) і молібденом (близько 5%);
ВТ8, ВТ9 – термостійкі алюмінієві титанові сплави з вмістом алюмінію в межах від 4,5 % до 7 %;
ВТ6, ВТ6С – алюмінієві сплави з включенням ванадію (3,5 – 6 %);
ВТ15 – один з найпрогресивніших титанових сплавів, у складі якого – хрому (~ 10 %), молібдену (7 % - 8 %) і алюмінію (~ 3, 5 %).

Характеристика сплавів на основі магнію

Магній - сріблясто - білий мономорфний метал з температурою плавлення tпл = 651 єС та густиною
· = 1,74 г/см3 (103 кг/м3) – найменшою серед конструкційних матеріалів, невисокою міцністю
·в = 100 МПа, пластичністю
· = 8 % і малою корозійною стійкістю; у чистому вигляді, як конструкційний матеріал, не використовується. Магній має гексагональну щільно-упаковану кристалічну решітку. Дуже активний хімічно, аж до самозаймання на повітрі.

Проте магнієві сплави міцні, поглинають вібрацію, неактивні з ураном, добре обробляються різанням, зварюються. Легується магній Mn, Al, Zn, Zr, Ti, Ca, Cе, La, Nd, Th для подрібнення зерна, загартованості, підвищення механічних властивостей.
Основними магнієвими сплавами є сплави магнію з алюмінієм, цинком, марганцем, цирконієм, які мають покращені властивості порівняно з чистим магнієм. Магнієві сплави бувають ливарні і такі, що деформуються, і маркуються наступним чином.

Магнієві сплави, що деформуються, МА1 і МА8 з основним легуючим елементом – марганцем (Mn) мають добру рідкотекучість і володіють міцністю в межах 200..350 МПа, а також – добру корозійну стійкість і здатність до зварювання.
Сплави МА2-1 і МА5 – є сплавами системи Mg-Al-Zn-Mn. Al і Zn підвищують міцність сплавів, їх технологічну пластичність: з них виготовляють ковані і штамповані деталі складної форми (крильчатки і жалюзі капота літака і ін.).
Сплави системи Mg-Zn, додатково леговані Zr (МА14), кадмієм та РЗМ (МА15, МА19) відносять до високоміцних магнієвих сплавів.
Ливарні магнієві сплави системи Mg-Al-Zn (МЛ5, МЛ6, де Л – означає ливарний) використовуються для: суднобудування (обшивки морських суден, підводних човнів, торпед, гребні гвинти, теплообмінники), літакобудування (корпуси приладів, насосів, коробок передач, двері кабін), ракетної техніки (корпуси ракет, обтічники, паливні й кисневі баки, стабілізатори), конструкцій автомобілів (корпусів, коліс, помпи).
Високими технологічними і механічними властивостями володіють сплави магнію з Zn і Zr (МЛ 12) та леговані кадмієм (МЛ8) і РЗМ (МЛ9, МЛ10) – для навантажених деталей літаків і авіадвигунів.

З магнієвих сплавів виготовляють корпуси ракет, обшивки суден, торпед, підводних човнів, насосів, приладів, баки, кожухи, конструкцій автомобілів та ін. Поверхню після термообробки оксидують, просочують лаком.

Бабіти

Антифрикційні (підшипникові) сплави на олов'яній та свинцевій основі (бабіти) – це досить широко розповсюджені легкоплавкі [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] на основі [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (олов'яні бабіти) та [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (свинцеві бабіти). Як легуючі елементи до них додаються сурма та мідь. Ці сплави називаються антифрикційними (мають добру припрацьованість та невеликий коефіцієнт тертя). Їх використовують для виготовлення вкладишів підшипників ковзання. Вони недостатньо міцні, тому зазвичай їх наносять тонким шаром на міцнішу основу (частіше сталеву). Як антифрикційні матеріали використовуються також чавуни, олов’янисті та свинцевисті бронзи, порошкові матеріали.
Ці сплави застосовують для заливання вкладишів підшипників ковзання. Вони повинні [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] достатню твердість, але не дуже високу, порівняно легко деформуватися під впливом місцевих напружень, мати малий коефіцієнт тертя між валом і підшипником.
Крім [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], температура плавлення цих сплавів не повинна бути високою, і сплави повинні мати гарну теплопровідність і стійкістю до корозії.
Олов'яні та свинцеві бабіти. Олов'яні бабіти використовують в підшипниках турбін великих суднових дизелів, турбонасосу, турбокомпресорів, електричних та інших важконавантажених машин. Свинцеві бабіти застосовують для менш навантажених підшипників.
Марки бабітів позначають літерою Б. В олов'яних бабітах за літерою наведені цифри, що вказують середню кількість олова у відсотках (Б83, Б88). Наприклад, сплав марки Б83 містить: 10-12 мас. % Sb; 5,5-6,5 мас. % Cu; решта – Sn. Марки свинцевих бабітів також позначають літерою Б, після якої можуть стояти літера, яка позначає певний легувальний елемент (А – алюміній, К – кальцій, Н – нікель та ін.) та цифри, які вказують на його кількість.

Приклади конструкційних матеріалів, застосовуваних у суднобудуванні

В суднобудуванні в якості конструкційних матеріалів застосовуються магналієві сплави – сплави в системі Al - Mg.
Магналії – [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Al – Mg (5-13 %). [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]ю з магнієм мають низькі ливарні властивості, так як не містять евтектики. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] рисою цих сплавів є достатня корозійна стійкість, підвищені механічні властивості та оброблюваність різанням. Магналії також добре стійкі до впливу азотної кислоти HNO3, розведеної сірчаної кислоти H2SO4, ортофосфорної кислоти H3PO4, а також у середовищах, що містять SO2 (сплави АЛ8, АЛ27, АЛ13 і АЛ22). Додавання до сплавів модифікуючих присадок (Ti, Zr) покращує механічні властивості, а берилію зменшує окислюваність розплаву, що дозволяє вести плавку без захисних флюсів.
Ці сплави призначені для відливок, що працюють у вологій атмосфері, наприклад в суднобудуванні й авіації. Додавання до сплавів Al - Mg кремнію покращує ливарні властивості в результаті утворення потрійний евтектики.
Мідно-нікелеві сплави, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], що містять нікель у якості головного легуючого елемента. Нікель утворює з міддю безперервний ряд твердих розчинів. При додаванні нікелю до міді зростають її міцність і електроопір, знижується температурний коефіцієнт електроопору, сильно підвищується стійкість проти корозії. Мідно-нікелеві сплави добре обробляються тиском у гарячому і холодному стані - з них отримують листи, стрічки, дріт, прутки, труби, штампують різні вироби. Мідно-нікелеві сплави поділяють на конструкційні та електротехнічні. Конструкційні мідно-нікелеві сплави відрізняються високою корозійною стійкістю і красивим сріблястим кольором; до них відносяться мельхіор і нейзильбер. Електротехнічні мідно-нікелеві сплави мають високу електроопір і високу термоЕРС в парі з іншими металами. Їх застосовують для виготовлення [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], реостатів, термопар. До електротехнічних мідно-нікелевих сплавів відносяться константан, копель та інші сплави. Завдяки різноманітним цінним властивостям мідно-нікелеві сплави, незважаючи на дефіцитність нікелю, знаходять широке застосування в електротехніці, суднобудуванні, для виробництва посуду, художніх виробів масового споживання, в медичній промисловості, пірометрії.
Мартенситностаріючі сталі є сплави заліза з нікелем (8 - 20%), а часто і з кобальтом. Для протікання [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] мартенситні сплави додатково легують Ti, Be, Al, Nb, W, Mo.
Нікель і [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] сприяють зміцненню при старінні і одночасно підвищують опір крихкому руйнуванню.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] зміцнює мартенсит сталей Fe - Ni - Ti і Fe - Ni - Al при старінні підвищує опір корозії.
Мартенситностаріючі сталі застосовують в авіаційній промисловості, в ракетній техніці, в суднобудуванні, в приладобудуванні, у приладобудуванні для пружних елементів, у кріогенній техніці.
Для виготовлення лопатей гідротурбін і гідронасосів, суднових гребних гвинтів та інших деталей, що працюють в умовах зношування при кавітаційної ерозії, застосовують сталі з нестабільним аустенітом 30Х10Г10, 0Х14АГ12 і 0Х14Г12М, що зазнають при експлуатації часткове мартенситне перетворення.

















Лекція 8 Основи теорії та технологія покращення властивостей металів. Поверхневе зміцнення

Мета: Формування у курсантів компетентностей з питань теорії та класифікації видів термічної обробки, основних операцій, їх різновидів та виконання, а також поверхневого зміцнення металів та одержаних при цьому властивостей.

1 Значення термічної обробки в судно- та машинобудуванні.
2 Основи теорії термічної обробки матеріалів.
3 Класифікація видів термічної обробки.
4 Явища, що супроводжують процес нагрівання металу.
5 Характеристика операцій термічної обробки: відпалювання, нормалізація, загартування, відпуск.
6 Поняття про термомеханічну обробку металів.
7 Поняття про поверхневе зміцнення металів.
8 Поняття про хіміко-термічну обробку металів.

Рекомендована література
[1. с. 215 – 290; 2. с. 157 – 197; 3. с. 18 – 21; 4. с. 66 – 83; 5. с. 223 – 240; 6. с. 89 – 107; 8. с. 35 - 41]

Значення термічної обробки

Термічна обробка металів і сплавів полягає у зміні їх структури при нагріванні, витримці і охолодженні з дотриманням встановлених режимів, і тим самим, у зміні властивостей останніх.
У сучасному виробництві термообробка широко застосовується в практиці машинобудівних, суднобудівних і металургійних заводів, як проміжна і як заключна операції [4]. Проміжна операція термообробки дозволяє покращити технологічні властивості металів і сплавів (оброблюваність різанням, тиском і ін.), а друга – призначена для формування властивостей готових виробів.

Основи теорії термічної обробки матеріалів

Теоретичними засадами термічної обробки металів є загальна теорія фазових перетворень, що відбуваються в металах і сплавах при нагріванні і охолодженні.
До вищезазначеного термічна обробка – це технологічний процес теплової обробки металів і сплавів, в результаті якого відбувається зміна їх будови (структури), а отже, і властивостей.
Наприклад, в основі термічної обробки [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] лежить перекристалізація [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] при охолодженні. Перекристалізація може відбутися дифузійним або бездифузійним способами. У залежності від рівня переохолодження аустеніт може перетворюватися у різні структури з різними властивостями. При термічній обробці отримують необхідні властивості сталі, змінюючи її структуру без зміни хімічного складу.
Наголосимо, що сутність термообробки полягає у нагріванні металу (виробу) до певної температури, витримці при цій температурі протягом певного тривалого часу і наступному охолодженні з різною швидкістю.
Такій обробці підлягають як чорні, так і кольорові метали і їх сплави. За допомогою термічної обробки можна отримати як підвищену твердість і міцність, так і високу пластичність та в'язкість. Термічній обробці можуть піддаватися всі без винятку метали і сплави.
Особлива роль у розвитку теорії термообробки належить Д. К. Чернову, який вперше встановив, що властивості сталей залежать від їх структури, яка визначається температурою нагрівання і швидкістю охолоджування.
Отже, основними чинниками, що визначають режими термічної обробки матеріалу, є температура нагрівання, час витримки і швидкість охолодження.

Класифікація видів термічної обробки

Класифікація видів термічної обробки була запропонована акад. А. А. Бочваром і складає основу сучасної наукової класифікації. Вона враховує фізичну сутність процесів термообробки.
Розрізняють наступні види: власне термічну обробку, хіміко-термічну обробку та термомеханічну обробку.

Явища, що супроводжують процес нагрівання металу

Як приклад, далі будуть розглянуті перетворення, що відбуваються в евтектоїдній сталі при її нагріванні і охолодженні з різною швидкістю. Нагрівання сталі до температури, вище за точку S, призведе до утворення з перліту структури аустеніту (рисунок 8.1). Як відомо, при повільному охолодженні сталі, після її нагріву вище критичної точки А1 (727 єС) відбувається розпад аустеніту на ферито-цементитну суміш, що зветься перлітом.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рисунок 8.1 – Структурні перетворення в сталі У8 при нагріванні та повільному охолодженні
Це перетворення складається із двох процесів, що відбуваються одночасно: 1) переходу
·-Fe в
·-Fe і 2) утворення карбіду заліза Fe3C (цементиту).
Перший процес – алотропне перетворення заліза – бездифузійний і тому протікає миттєво.
Другий процес – утворення цементиту – дифузійний, пов'язаний з виходом атомів вуглецю з твердого розчину. Отже, для його завершення потрібний певний час. Тому при швидкому охолодженні в точці перлітних перетворень частинки цементиту не встигають сформуватися, і ця точка зміщується в бік більш низьких температур. При цьому, чим більше швидкість охолодження сталі, тим при нижчій температурі закінчується процес розпаду аустеніту на феритно-цементитну суміш.
Феритно-цементитні суміші, утворені при різних швидкостях охолодження, відрізнятимуться величиною зерен, тобто ступенем дисперсності і, отже, своїми механічними властивостями. Зазначені перетворення в сталях використовують на практиці, отримуючи шляхом нагріву і охолодження з різною швидкістю потрібні структуру і властивості. Так, нагріваючи евтектоїдну сталь до стану аустеніту і поволі охолоджуючи, отримують найм’якішу структуру (перліт). Це можуть бути такі операції термообробки, як відпал і нормалізація.
Охолоджуючи нагріту до стану аустеніту евтектоїдну сталь із швидкістю більше 150 °С/с, отримують структуру мартенситу. Ця операція термообробки називається загартуванням. Проте після загартування сталь використовувати не можна. Вона дуже крихка і має низьку міцність. Її необхідно шляхом нагрівання до певних температур (не вище критичної) привести у стійкіший стан. Ця операція термообробки називається відпуском. Таким чином, метою відпуску є отримання бажаної структури (трооститу, сорбіту, перліту) і, відповідно, необхідних властивостей сталі. При цьому знижуються її внутрішні напруження.
Перетворення в сталі, нагрітій до стану аустеніту, можна вивчити, переохолоджуючи її до різних температур і витримуючи при цих температурах. Для цього використовують так звані діаграми ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту, які встановлюють стійкість, тобто тривалість існування переохолодженого аустеніту залежно від температури. По цій діаграмі можна точно визначити, скільки часу переохолоджений до даної температури аустеніт залишається таким, що не розпадається, через який час розпадається і яка структура є продуктом розпаду. І, якщо діаграма залізо – цементит одна для всіх сплавів, то діаграма ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту будується для кожної марки сталі. Для теорії і практики термічної обробки необхідні обидві діаграми. І, якщо за допомогою діаграми стану Fе-Fе3С, встановлюють температуру нагріву сталі при відпалі, нормалізації, загартуванні, то діаграма ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту дозволяє вибрати швидкість охолодження для одержання необхідної структури і властивостей сталі. Це легко визначити, якщо накласти на діаграму стану криві охолодження сталі.

Характеристика операцій термічної обробки

Основними операціями термічної обробки сталі є: відпал (відпалювання), нормалізація, загартування і відпуск.
Відпалом (відпалюванням) називається операція термообробки, що полягає у нагріванні сталі до певної температури, витримці при цій температурі і повільному охолодженні разом з піччю. За допомогою відпалювання змінюють форми і розміри зерен структури, усувають неоднорідність хімічного складу, зменшують внутрішні напруження, знімають наклеп і перегрів сталей.
Відпал проводять для зниження твердості, збільшення пластичності і в'язкості та поліпшення оброблюваності сталі. На практиці, як правило, застосовують наступні види відпалів, які характеризуються режимами нагрівання і охолодження: відпал 1-го роду (без фазових перетворень) та відпал 2-го роду (з фазовою перекристалізацією).

Відпал 1-го роду (без фазових перетворень). Цей відпал застосовують як для моно-, так і для поліморфних металів і сплавів. Розрізняють наступні різновиди відпалу 1-го роду: гомогенізуючий відпал, рекристалізаційний та для зняття напружень.
Гомогенізуючий (дифузійний) відпал дозволяє усувати дендритну ліквацію у відливках і злитках сплавів кольорових металів і високолегованих сталей. Із зростанням температури збільшується і швидкість дифузії. Тому цей відпал сталі проводять при високих температурах, при цьому її нагрівають до 1000 – 1200 °С, витримують 8-15 годин при цій температурі, а потім повільно охолоджують до температури 500-600 °С, після цього охолодження відбувається з довільною швидкістю.
Рекристалізаційний відпал частіше застосовується для холоднодеформованих металів і сплавів з метою зняття наклепу. Ця обробка може бути проміжною і остаточною. В результаті рекристалізації утворюються нові зерна з меншою концентрацією дефектів будови, знижуються внутрішні напруження, знижуються міцністні і підвищуються пластичні властивості металів і сплавів. Температура відпалу становить 680-700 °С – для вуглецевих сталей, для легованих – 700-730 °С. Час витримки залежить від площі перерізу оброблюваного виробу.
Відпал для зняття напружень дозволяє усунути внутрішні (залишкові) напруження, внесені до металу попередньою обробкою. Цей відпал найчастіше ведеться при температурі 400 – 680 °С, час витримки – з розрахунку 2,5 хв. на 1 мм товщини перерізу деталі.
Відпал 2-го роду (з фазовою перекристалізацією). Цей відпал проводиться з метою одержання зрівноваженої структури металів і сплавів, що зазнають при тепловому впливі фазових перетворень. Відпал 2-го роду зменшує концентрацію дефектів кристалічної ґратки, знижує внутрішні напруження, подрібнює зерно, виправляє структуру, спотворену попередньою обробкою. В результаті підвищується пластичність і знижується міцність і твердість металу. Застосовують повний, неповний та ізотермічний види відпалу 2-го роду.
Повний і неповний відпал розрізняють ступенем фазових перетворень. Температура нагріву при повному відпалі на 30-50 °С вище за лінію GSК, при неповному – на 10 – 30 °С вище за лінію Рsк.
Ізотермічний відпал здійснюється за наступною схемою: нагрівання сталі (доевтектоїдної – вище за лінію GS, заевтектоїдної, – вище за лінію SK), витримка до повного прогрівання та фазового перетворення, швидке охолодження до температури 600-700 °С, ізотермічна витримка до повного розпаду аустеніту та швидке охолодження на повітрі.

Нормалізація – це нагрівання виробу вище лінії GSК на 3050 °С, витримка з метою його прогрівання і подальше охолодження на повітрі. Нормалізація, як різновид повного відпалу отримує все більше розповсюдження завдяки значному скороченню часу на термообробку, оскільки охолодження проводиться на повітрі.
Нормалізація застосовується як завершальна операція для низьковуглецевих і легованих сталей. Для заевтектоїдних сталей нормалізація застосовується як допоміжна операція перед загартуванням.
Загартування проводиться для підвищення твердості, зносостійкості та межі пружності. При загартуванні сталь нагрівають вище за критичні точки (рисунок 8.2), витримують, а потім швидко охолоджують. На рисунку 8.2 зображено лівий кут діаграми стану залізо-вуглець і інтервал температур для нагрівання сталей для загартування.
Охолоджують сталі при гартуванні у воді, маслі, розчинах солей. Залежно від швидкості охолодження розрізняють різке або сильне загартування на мартенсит і помірне – на троостит.
Для загартування вуглецевих сталей на мартенсит застосовують охолодження у воді, а на троостит – у маслі. Температура під загартування повинна бути такою, щоб сталь перейшла повністю в аустенітний стан. Для доевтектоїдної сталі температура нагріву повинна бути на 30-50 °С вище за лінію GS, для заевтектоїдної – на 30-50 °С вище за лінію SK, цементит, що залишається при такому нагріванні, підвищує твердість і зносостійкість загартованої сталі.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рисунок 8.2 – Інтервал оптимальних температур для гартування сталей

Після гартування обов'язково і відразу виконують відпуск сталі. Пересичені тверді розчини, що утворюється в результаті загартування, метастабільні і при нагріванні починають розпадатися.
Процеси їх розпаду в сплавах, загартованих з поліморфним перетворенням, називаються відпуском, а в сплавах, загартованих без поліморфного перетворення, – старінням.
Відпуском називають така операція термічної обробки, при якій загартовану сталь нагрівають до температур, які знаходяться нижче критичної температури (<727 °С) і після витримки (не менше ніж 2 год.) повільно чи швидко охолоджують.
Відпуск призначений для часткового або повного зменшення метастабільності загартованого на мартенсит матеріалу. Температура нагрівання при відпусканні не повинна перевищувати температуру фазового переходу. Відпуск залежно від температури нагрівання може бути низьким (150-300 °С – зменшення внутрішніх напружень у загартованому виробі, майже не знижуючи його твердості), середнім (300-500 °С) та високим (500-650 °С), і в тому чи іншому ступені зменшує внутрішню напругу і крихкість, знижує твердість і міцність, підвищує пластичність і в'язкість.

Поняття про термомеханічну обробку металів

Термомеханічна обробка – це процес, що представляє собою нагрівання сталі до температури вище точки АС3 (лінії GS – межа між феритом і аустенітом), витримку при цій температурі, пластичну деформацію аустеніту при високій температурі і наступне охолоджен-ня з одержанням особливої мартенситної структури (рисунок 8.3).


Рисунок 8.3 – Графік режимів термомеханічної обробки сталі

Пластичне деформування при термомеханічній обробці здійснюють прокаткою, ковкою, штамповкою і іншими способами обробки тиском.
Існують два способи термомеханічної обробки: високо-температурна (ВТМО) і низькотемпературна (НТМО). При ВТМО сталь нагрівають вище точки АС3, пластично деформують при цій температурі і загартовують. При НТМО сталь нагрівають вище точки АС3, охолоджують до температури відносної стійкості аустеніту, але нижче температури кристалізації, пластично деформують при цій температурі і загартовують. В обох випадках після загартування застосовують низький відпуск. Завдяки цьому – сталь зміцнюється.
Поняття про поверхневе зміцнення металів

Багато деталей машин працюють на тертя й одночасно піддаються дії ударних навантажень. Такі деталі повинні мати твердий зносостійкий поверхневий шар і в’язку серцевину, що добре опирається руйнуванню від ударів. Ця вимога може бути виконана застосуванням м'якої і в'язкої сталі поверхня якої, що піддається тертю, зміцнюється тим чи іншим методом. Основними методами поверхневого зміцнення металів є: поверхневе гартування (ПГ), хіміко-термічна обробка (ХТО) та пластичне деформування (ПД).
Поверхневе загартування полягає в нагріванні поверхневого шару деталі з наступним швидким охолодженням. Після швидкого охолодження поверхневий шар одержує повне загартування, а серцевина або неповну, або зовсім не загартовується (в залежності від її температури і товщини деталі).
Вибір способу поверхневого зміцнення залежить від призначення виробу, умов його роботи, економічної ефективності й інших факторів.
Найбільше поширення в сучасному виробництві одержали:
- електротермічне гартування, при якому нагрівання здійснюється струмами високої, підвищеної і промислової частоти;
- газополум'яне гартування – нагрівання полум'ям пальника;
- гартування з нагріванням в електропечах.
Перш за все, для одержання в’язкої серцевини та високої твердості поверхні виробу застосовують поверхневе загартування. Цей спосіб дозволяє одержувати хорошу зносостійкість виробу поряд з високою динамічною міцністю.


Рисунок 8.4 – Схема індукційного нагріву струмами СВЧ

Швидке нагрівання поверхневого шару здійснюють струмами високої частоти, лазером та ін. Найбільше розповсюдження в машинобудуванні знайшло індукційне нагрівання струмами високої частоти (СВЧ) –
продуктивний метод (рисунок 8.4), що забезпечує хорошу якість обробки. Поверхневе гартування з нагріванням струмом високої частоти (СВЧ) полягає в тому, що оброблювальну деталь 1 встановлю-ють у середину котушки індуктора 2, який складається з одного або кількох витків мідної трубки 5. Через індуктор 2 пропускають струм високої частоти і значної сили. При цьому в поверхневому шарі виробу виникають вихрові струми, які нагрівають лише поверхню виробу. Через трубки 4 вода підводиться до пустотілого кільця 3 (охолодника). Для поверхневого гартування застосовують [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], які містять майже 0,4...0,5 % С, рідше леговані (хромисті, хромонікелеві). Після поверхневого гартування здійснюють низький відпуск.

Поняття про хіміко-термічну обробку металів

Одним з ефективних способів поверхневого зміцнення металів є хіміко-термічна обробка. Метою хіміко-термічної обробки є одержання поверхневого шару стальних виробів, що володіє підвищеними твердістю, зносостійкістю, жаростійкістю та корозійною стійкістю. Ця обробка представляє собою технологічний процес насичення поверхневого шару виробу будь-яким елементом шляхом дифузії його із зовнішнього середовища. При хіміко-термічній обробці змінюється хімічний склад поверхневого шару деталей.
Механізм насичення металу полягає в адсорбції атомів, що підводяться до виробу; розчиненні адсорбованих атомів в металі; дифузії розчиненої речовини в глибину оброблюваного виробу.
Хіміко-термічна обробка (ХТО) здійснюється при високих температурах, коли швидкість дифузії велика.
До найбільш розповсюджених методів ХТО відносяться цементація, азотування, ціанування, дифузійна металізація.
Цементація – процес насичення поверхневого шару сталі вуглецем. Цементації піддаються низьковуглецеві сталі (0,1...0,3 % С), в тому числі і леговані. Цементацію здійснюють твердим карбюризатором (деревним вугіллям з додаванням ВаСО3, Na2CO3, К2СО3) при температурі 900...950 оС в металевих ящиках протягом 8...14 год.
Заготовки із вуглецевої або легованої сталі з масовим вмістом вуглецю до 0,8 % піддають цементації: заготовки розміщують в стальні цементаційні ящики (рисунок 8.5), засипають карбюризатором, закривають кришками, ретельно обмазують щілини глиною, розташовують ящики в печі і витримують протягом 510 год при температурі 930950 оС.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рисунок 8.5 - Упаковка деталей в цементаційний ящик:
1 – ящик, 2 – карбюризатор, 3 – стальні «свідки», 4 – деталі.
При нагріванні у присутності вугілля вуглекислий барій при температурі 900 оС розпадається за реакцією:

BaCO3 + С ВаО + 2СО.

В результаті утворюється оксид вуглецю, який на поверхні стальних заготовок дисоціює з виділенням активно атомарного вуглецю. Внаслідок взаємодії з поверхневим шаром заготовки утворюється цементит:

3Fe + С Fе3С.

Газова цементація здійснюється в закритих камерних печах, заповнених газом (природним, окислом вуглецю, метаном, пропаном та ін.), при температурі 930...950 оС протягом 8...12 год.

Азотування – процес дифузійного насичення поверхні виробу азотом. Азотують леговані сталі (35ХМЮА, 35ХЮА і ін.). Перед азотуванням заготовку піддають загартуванню та високому відпуску. Азотування проводять в печах при температурі 500...600 оС. Активний азот, що виділяється при дисоціації аміаку, шляхом дифузії проникає з іншими елементами в поверхневий шар і утворює дуже тверді хімічні сполуки – нітриди (AlN, MoN, Fe3N та ін.). Цим і забезпечується підвищення твердості поверхневого шару виробу.
Азотування на глибину 0,2...0,5 мм продовжується досить тривалий час (25...60 год) і в цьому його основний недолік.
Ціанування – насичення поверхневого шару одночасно і вуглецем і азотом; воно здійснюється рідинним і газовим способом.

Дифузійна металізація – це поверхневе насичення заготовок шляхом дифузії алюмінієм (алітування), хромом (хромування), кремнієм (силіціювання) та бором (борирування).
Металеве покриття наносять розпиленням, порошковими сумішами і витримують деякий час при певних температурах. Отже, дифузійна металізація підвищує корозійну стійкість, жаростійкість.

Компетентність курсантів з питань термічної обробки матеріалів формується в результаті свідомого розуміння вибору режимів обробки (величин відповідних температур та швидкостей охолодження), що обумовлює зміну структури матеріалу, а відтоді і їх властивостей. На підставі вміння користуватися діаграмою стану, розуміння маркування та завдання про передбачувані властивості курсант компетентно може вибрати режими необхідної операції термічної обробки.





Лекція 9 Основи теорії та технології зварювання металів та обробка їх тиском та різанням

Мета: Сформувати у курсантів компетентне розуміння зварювання металів та обробки тиском і різанням, їх значення у народному господарстві, класифікації та основних видів обробки.

1 Поняття про зварювання металів, класифікацію та його значення в народному господарстві.
2 Поняття про електродугове та контактне електрозварювання.
3 Поняття про газове зварювання, його переваги та недоліки.
4 Нові види зварювання.
5 Поняття про обробку металів різанням. Загальні основи процесу різання металів.
6 Фізичні явища, що відбуваються під час різання металів.
7 Класифікація металорізальних верстатів та металорізального інструменту,
8 Поняття про електрофізичні та електрохімічні методи різання.
9 Обробка металів тиском: прокатування, волочіння, пресування, кування, штампування.

Рекомендована література

[1. с. 478 – 507; 2. с. 337 –378, 379 – 438, 439 – 515; 3. с. 102 – 147, 148 – 204, 205– 304; 4. с. 129 – 198, 250 – 310; 6. с. 225 – 242, 243 – 261, 265 – 344; 7. с. 80 – 173, 266 – 283, 384 – 521; 8. с. 45 – 48, 48 - 54]

Поняття про зварювання металів та його значення в народному господарстві

Зварюванням металів називають процес одержання нероз’ємних з'єднань металевих виробів за рахунок використання міжмолекулярних та міжатомних сил зчеплення. Для приведення цих сил в дію необхідно зблизити атоми з’єднуваних металів на відстань порядку 10-8 см, тобто на відстань приблизно рівну параметру кристалічної решітки цих металів. Вказаному процесу зближення атомів і молекул сприяє нагрівання зварюваних поверхонь до розплавлення або пластичного стану і прикладення механічного зусилля стискування.
У теперішній час зварювання металів, як і обробка металів тиском, різанням або литтям, є основним технологічним процесом виготовлення різних металевих конструкцій та виробів і знаходить широке використання у всіх галузях народного господарства, зокрема, у суднобудуванні. Особливо значний економічний ефект дає застосування зварювання при виготовленні важких зварювально-литих та зварювально-кованих конструкцій, використанні зносостійкої наплавки (наплавлення) у виробництві валків прокатних станів, ковальсько-пресового обладнання, металорізального інструменту і ін.
Класифікація видів зварювання в залежності від виду енергії, що використовується, та зварних з’єднань

Сучасні способи зварювання класифікують за двома основними ознаками: за станом металу в процесі зварювання та за видом енергії, яка використовується для нагрівання зварюваних металів. За першою ознакою розрізняють зварювання плавленням і зварювання тиском.
При зварюванні плавленням кромки з’єднуваних деталей (основний метал) і в більшості випадків додатковий (присадний) нагрівають до розплавленого стану, утворюючи загальну зварювальну ванну. Після видалення джерела нагрівання метал ванни охолоджується і твердне, утворюючи зварний шов.
При зварюванні тиском зварювальне з’єднання утворюється нагріванням зварюваних поверхонь до пластичного стану або до початку плавлення і додатковим прикладанням механічних зусиль стискання. Такі пластичні метали, як мідь, свинець, алюміній, нікель і ін. можна зварювати і в холодному стані за рахунок тільки тиску.
За видом енергії, що використовується для нагрівання металу, всі способи зварювання можна розділити на основні групи: електричні, хімічні, механічні і променеві.
Найбільш важливою являється група електричних способів, при яких метал нагрівається за рахунок електричної енергії. До цієї групи належать наступні види зварювання: дугова, контактна, електрошлакова, індукційна, плазмова.
До групи хімічних способів зварювання належать газова і термітна. Нагрівання металу при цих способах зварювання здійснюється за рахунок екзотермічних реакцій окислення різних речовин, що знаходяться у газоподібному або твердому стані.
До механічних способів зварювання відносяться: горновий або ковальський, холодним тиском, тертям, вибухом і ультразвуком. При цих методах зварювання для з’єднання металів використовують відповідні види механічної енергії.
Група променевих способів зварювання об’єднує електронно-променеве, лазерне та геліозварювання.
Із перерахованих способів зварювання найбільш важливе значення мають електродугове, контактне та газове.

Поняття про дугове електрозварювання. Властивості електричної дуги

Електричне дугове зварювання вперше було запропоноване нашим співвітчизником М. М. Бенардосом у 1882 р., який використав електричну дугу для зварювання металів за допомогою вугільного електроду., а у 1888 р. М. Г. Славянов запропонував спосіб дугового зварювання металевим електродом.


На рисунку 9.1 представлені різні схеми основних видів електродугового зварювання.


Рисунок 9.1 – Схеми основних видів електродугового зварювання:
а) за способом Бенардоса; б) за способом Славянова; в) трифазною дугою

Зварювальна дуга (рисунок 9.2) представляє собою потужний електричний розряд в газах, що супроводжується виділенням значної кількості тепла і світла.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рисунок 9.2 – Загальний вигляд електричної дуги

Для розігріву катода між ним і анодом, підключеними до джерела зварювального струму, здійснюють короткочасне коротке замикання. Після відриву електрода від виробу з розігрітого катоду під дією електричного поля починається електронна емісія. При русі електронів до аноду вони стикаються з молекулами і атомами повітря і іонізують їх. На поверхні анода і катода відбувається нейтралізація заряджених частинок, що призводить до перетворення електричної енергії в теплову.
До основних параметрів, що характеризують електричну дугу, відносяться напруга, струм і довжина дуги. Зварювальна дуга складається із трьох частин: катодної, анодної і стовпа дуги. Майже весь простір займає стовп дуги, в якому відбуваються процеси іонізації і переміщення заряджених частинок до катоду і аноду. Температура стовпа дуги досягає 6000...7000 оС. Він оточений ореолом, який представляє собою розпечену суміш парів електродного і зварювального металів та продуктів реакції цих парів з оточуючим газовим середовищем.
Для дугового зварювання застосовують як постійний, так і змінний струм. Джерелами постійного струму при зварюванні є зварювальні генератори постійного струму та зварювальні випрямлячі. При зварюванні змінним струмом використовують зварювальні трансформатори.
Величина напруги для запалювання дуги (напруга холостого ходу) повинна бути не нижче 30...35 В (при постійному струмі) і 50...55 В (при змінному струмі). Для стійкого горіння відкритої дуги в більшості випадків достатньо напруги близько 18...30 В.
Металеві електроди мають флюсову обмазку. В якості обмазки електроду застосовують просіяну крейду з рідким склом. Загальне призначення обмазки або електродних покриттів – забезпечувати стабільність горіння зварювальної дуги і отримувати метал шва із заздалегідь заданими властивостями (міцність, пластичність, ударна в'язкість, стійкість проти корозії, та ін.). До того ж, шар розплавленого флюсу обмазки електроду захищає розплавлений метал, що утворюється, від дії кисню і азоту навколишнього повітря.
Значний внесок у світову теорію і практику зварювання зробив академік Патон Борис Євгенович ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]) – український [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] у галузі [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] і [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]); Президент [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (з [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]) – революціонер у технології зварювання (танки, газо- і нафтогони на землі та під водою, космічні станції і навіть серце, нирки та судини).

Поняття про контактне електрозварювання. Характеристика видів електроконтактного зварювання

Контактне зварювання (зварювання опором) засноване на розігріві зварювальних виробів Джоулевим теплом і механічним притискуванням розігрітих виробів. Згідно із законом Джоуля-Ленца кількість тепло, що виділяється при проходженні електричного струму у зварюваних деталях та перехідних контактах, визначається відомою формулою (1.5):
Q = kІ2Rt, Дж. (1.5)

Величина зварювального струму при контактному зварюванні досягає десятків і навіть сотень тисяч ампер. Такі струми одержують у знижувальних однофазних зварювальних трансформаторах, що мають у вторинній обмотці частіше за все один виток. Опір місця зварювання залежить від чистоти і стану поверхні зварюваного металу. До основних видів контактного зварювання відносяться: стикова, точкова і шовна (рисунок 9.3).



При стиковому зварюванні зварювані деталі (стержні, стрічки, рейки, труби) закріплюють в мідних затискачах машини. Переміщення рухомої плити і стискання зварюваних виробів здійснюють механізмом стиснення.
Точкове зварювання застосовують для з’єднання листових конструкцій, де необхідно забезпечити потрібну міцність, а щільність не є обов’язковою. Складені внахлест деталі затискують з певним зусиллям між мідними електродами, до яких підводиться струм від зварювального трансформатора. Наразі відбувається часткове розплавлення в місці дії струму. Відповідно тривалість витримки зварювання становить 0,001...0,1 с, густина струму – 150...350 А/мм2 і тиск на електроди – 40...100 МПа.
Шовне або роликове зварювання застосовують для одержання міцних і щільних швів при виготовленні тонкостінних посудин та тонкостінних труб. При шовному зварюванні збирають внахлест деталі, а потім затискають з певним зусиллям між двома мідними роликами, до яких підводиться струм від зварювального трансформатора. Одному з роликів надають примусового обертання від спеціального привода. При включенні струму і одночасному обертанні роликів відбувається переміщення і нагрівання до розплавлення контактних поверхонь зварюваних виробів, які під дією стискаючих зусиль зварюються.

Поняття про газове зварювання, його переваги та недоліки

Для одержання зварного з'єднання при газовому зварюванні кромки основного металу і присадний метал нагрівають до розплавленого стану полум’ям горючих газів, стиснених при допомозі спеціальних зварювальних пальників у суміші з киснем. В якості горючого газу найбільше застосування одержав ацетилен (Н2С2), який при згорянні в кисні дає температуру полум’я, достатню для зварювання сталей та більшості інших металів і сплавів. Для зварювання металів з температурою плавлення меншою, ніж у сталі, можуть бути використані водень, природний газ і ін.
Газове зварювання застосовують при виготовленні листових і трубчастих конструкцій із маловуглецевих та низьколегованих сталей, для виправлення дефектів у відливках сірого чавуну та бронзи тощо.
Переваги газового зварювання – мобільність, менша експлуата-ційна небезпечність та менший вплив на здоров’я людини (особливо зір).

Технологія газового зварювання і різання металів

Вид і склад ацетиленокисневого полум’я, спосіб та вибір режимів зварювання складають основу технології газового зварювання.
В більшості випадків при газовому зварюванні застосовують нормальне ацетиленокисневе полум’я, при якому на одну об’ємну частину ацетилену припадає на 10...20 % більше кисню. Режим газового зварювання визначається вибраним діаметром присадного металу і потужністю газозварювального полум’я.
Газове різання здійснюють, використовуючи горючі гази, зокрема ацетилен, який одержують із карбіду кальцію (СаС2) при його взаємодії з водою. Газове різання у струмені кисню використовують для різання сталі з вмістом вуглецю до 0,7 % та деяких низьколегованих сталей. Найвища температура полум’я у струмені ацетилену 3200 оС.
Плазмове різання металів являється найбільш продуктивним видом термічного різання, широко застосовується в машинобудуванні, в суднобудуванні, для різання листового металу значних габаритів тощо. Стиснення і стабілізація дуги здійснюється струменем газу разом із стовпом дуги, завдяки чому температура досягає 12000...20000 оС, і властивості металу при такому потужному спрямованому струменю теплової енергії практично не впливають на процес різання.

Нові види зварювання металів

До нових (нетрадиційних) способів зварювання можна віднести індукційне зварювання металу (нагрівання здійснюється індукційними струмами середньої і високої частоти з наступним його обтисненням), дифузійне (взаємна дифузія атомів у поверхневому шарі контактуючих матеріалів у вакуумі або атмосфері інертного газу), зварювання ультразвуком, холодне зварювання тиском (за рахунок значних зусиль стиснення), зварювання тертям (перетворення механічної енергії при взаємному переміщенні зварюваних поверхонь у теплову), плазмово-дугове, вибухом, електрошлакове зварювання тощо.

Поняття про обробку металів різанням. Загальні основи процесу різання матеріалів

Обробкою різанням конструкційних матеріалів називається процес відокремлення різальними інструментами шару матеріалу від заготовки для одержання деталі необхідної форми.
Для забезпечення встановленої точності розмірів і шорсткості поверхні більшість деталей обробляються на верстатах зняттям стружки, тобто відбувається процес різання лезовими і абразивними інструментами. Для одержання поверхні заданої форми і розмірів заготовки інструменти закріплюються на металорізальних верстатах, робочі органи яких надають їм руху необхідної траєкторії із встановленою швидкістю і силою.
Рухи виконавчих органів верстатів поділяють на робочі, що несуть відповідальність за формоутворення поверхні, і допоміжні. Робочими називають рухи, при яких із заготовки знімається стружка; допоміжними – рухи, при яких із заготовки стружка не знімається (включення і виключення верстату, підвід та відвід інструменту та ін.).
Робочий рух можна розкласти на головний рух і рух подачі. Головним називають рух, швидкість якого найбільша. Зняття стружки здійснюється в основному при поєднанні головного руху і руху подачі.

Фізичні явища, що відбуваються під час різання металів

Різання металів, зокрема при точінні, здійснюється складною сукупністю різних деформацій – зминання, зсуву, зрізу, що супроводжуються тертям відокремлюваної стружки об передню поверхню різця і тертям поверхні різання об задню поверхню різця. В результаті пружно-пластичної деформації металу, яка відбувається під впливом різального інструменту, утворюються нові поверхні.
Заготовці від шпинделя верстату передається головний обертальний рух, різцю супортом верстату надається рух подачі; обидва ці рухи здійснюються безперервно. То ж відбувається процес поверхневого різання.
Основними параметрами різання є глибина різання, подача і швидкість різання. Наприклад, для токарної обробки:
– глибина різання t – відстань між оброблюваною і обробленою поверхнями, виміряна по перпендикуляру до осі заготівки, мм:
t = (D - d)/2;
– подача s – величина переміщення різця відносно заготовки у напрямку подачі за один оберт заготовки, мм/об;
– швидкість різання визначається за формулою:
13 EMBED Equation.3 1415 , хв-1,
де D – діаметр заготівки, n – частота обертання шпинделя верстата.
Елементи режиму різання при точінні показані на рисунку (9.4).
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рисунок 9.4 – Елементи режиму різання при точінні:
1 – оброблювана поверхня; 2 – поверхня різання; 3 – оброблена поверхня.
D – діаметр оброблюваної заготовки; d – діаметр деталі після обробки; a і б – товщина і ширина шару, що зрізується.[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]

Класифікація металорізальних верстатів та їх будова

Металорізальними верстатами називають машини для формування деталей із металів шляхом зняття стружки або без зняття стружки (обкатування роликами, нанесення рифлень і ін.). Будь-який верстат, як і всяка машина, складається із трьох основних механізмів: рушійного, передавального і виконавчого. Виконавчий механізм одержує рух від рушійного через передавальний і забезпечує відносне переміщення заготовки і інструменту, чим і визначається формування деталі. Передавальний механізм представляє собою сукупність пристроїв, що передають рух від двигуна до виконавчих органів (шпинделя, супорта, столу), і називається приводом верстата.
Металорізальні верстати поділяють на групи відповідно до способів обробки різанням: точіння, фрезерування, свердлення, стругання, протягування.
Верстати токарної групи призначені для обробки зовнішніх і внутрішніх поверхонь тіл обертання, обробки плоских торцевих поверхонь, нарізування різьби і ін. Для обробки отворів використо-вуються свердла, зенкери, розгортки та ін. Для нарізування різьб поряд із різьбонарізними різцями часто використають мітчики і плашки.
Фрезерування  спосіб обробки різанням за допомогою багатолезового інструмента – [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Фрезерування – один з найбільш продуктивних і розповсюджених видів механічної обробки площин, фасонних поверхонь, канавок, пазів. Фрези мають вигляд диска, циліндра або іншого тіла обертання, що обладнане зубцями – різцями.
При обертанні фреза врізається зубцями (рух різання) в заготовку, що насувається (рух подачі) на фрезу, яка знімає з поверхні заготовки кожним зубцем шар металу.

Характеристика металорізального інструменту

Основними інструментами для токарних верстатів являються різці різних типів, а також свердла, зенкери, розвертки, мітчики, плашки і ін.
Різець складається із робочої частини або головки і стрижня або тіла, призначеного для кріплення різця у різцетримачеві. На робочій частині різця заточуванням утворюються поверхні: передня і задня. Перетин передньої і задньої поверхонь утворюють різальні кромки – головну і допоміжну. Сполучення головної і допоміжної різальних кромок утворює вершину різця (рисунок 9.5).

Рисунок 9.5 – Будова токарного прохідного різця:

1 – передня поверхня, якою сходить стружка,
2 – головне різальне ребро (лезо),
3 – допоміжне різальне ребро (лезо),
4 – головна задня поверхня,
5 – допоміжна задня поверхня,
6 – вершина різця,
7 – стрижень різця.

Кути різальної частини різця, що визначають його геометричну форму, суттєво впливають на процес різання. Оптимальні значення кутів різців і іншого різального інструменту для обробки різних матеріалів залежать від виду і матеріалу інструмента, розмірів і форми деталей тощо.
Свердло
·  це різальний інструмент, з обертальним рухом різання і осьовим рухом подачі, призначений для виконання отворів в суцільному шару матеріалу (слайд). Свердла можуть також застосовуватися для розсвердлювання просвердлених отворів.

Технологія обробки металів на верстатах

Технологія роботи на металорізальному верстаті визначається методом обробки та видом операцій, формою і розмірами деталі та ін.
При обробці циліндричних поверхонь застосовують поздовжнє переміщення супорту. Зовнішні циліндричні поверхні обробляються звичайними прохідними різцями, внутрішні – розточувальними. Для одержання відповідного отвору у суцільному матеріалі його спочатку просвердлюють. Свердління, зенкерування і розгортування виконують відповідними інструментами, які встановлюють в пінолі задньої бабки токарного верстату або патроні свердлильного верстату.
Певну специфіку мають процеси обробки конічних і фасонних поверхонь, нарізання різьб тощо.

Поняття про електрофізичні та електрохімічні методи обробки матеріалів

В сучасному машинобудуванні, в енергетиці з використанням спеціальних видів матеріалів обробка їх механічними методами вкрай утруднена. Для обробки важкооброблювальних матеріалів і складної форми з успіхом використовують електрохімічні та електрофізичні методи розмірної обробки.
Електрофізична обробка  вид механічного оброблення, який полягає в зміні форми, розмірів та шорсткості поверхні заготівки із застосуванням електричних розрядів, магнітострикційного ефекту, електронного чи оптичного опромінювання, плазмового струменю.
Всі фізико-хімічні методи оброки матеріалів поділяють на: електроерозійні (рисунок 9.6), електрохімічні, ультразвукові, променеві і комбіновані.

13 EMBED PBrush 1415

13 EMBED PBrush 1415


13 EMBED PBrush 1415

Рисунок 9.6 – Електроерозійні методи обробки матеріалів: а) і б) електроіскрові; в) електроконтактна обробка (електромеханічне руйнування  металу)


В цих методах використовується перетворення електричної енергії електричних розрядів у теплову енергію. Переваги цих методів перед іншими в тому, що:
– цими методами можна обробляти будь-які струмопровідні матеріали, які володіють високими фізико-механічними властивостями;
– завдяки простоті кінематики формоутворення можна вести обробку досить складних форм (глухі фасонні отвори, отвори дуже малих діаметрів та ін.);
– можливість відображення форми інструмента по всій оброблюваній поверхні заготовки при простому переміщенні інструмента;
– при обробці практично відсутній силовий вплив на заготовку;
– обробку цими методами легко автоматизувати.
Різновидом електроерозійної обробки є електроіскровий метод, який заснований на руйнуванні металу в колі постійного струму під дією іскрового розряду. Цим способом обробляють твердосплавні філь’єри, штампи, прес-форми тощо.

Поняття про обробку металів тиском та його значення в народному господарстві

Обробка металів тиском заснована на використанні однієї з основних властивостей металів – пластичності, тобто на їх здатності в певних умовах сприймати під дією зовнішніх сил залишкову деформацію без порушення цілісності матеріалу заготовки. Така обробка застосовується лише до металів достатньо пластичних.
Розрізняють наступні основні способи обробки металів тиском: прокатка, волочіння, пресування, вільна ковка, штамповка об’ємна і листова.

Переваги обробки металів тиском перед іншими способами обробки металів

Обробка металів тиском використовується давно, але її можливості далеко не вичерпані. Обробкою тиском виготовляють із металів напівфабрикати, деталі і вироби різної маси, розмірів і форми.
Процеси обробки металів тиском відрізняються високою продуктивністю, економною витратою металу порівняно з ливарним виробництвом і механічною обробкою. Крім того, обробка тиском покращує механічні властивості литого металу. Тому обробці металів тиском піддають біля 90 % всієї виробляємої сталі і більше 50 % кольорових металів.

Поняття про пластичну деформацію металів та її вплив на структуру і властивості оброблювального металу

Пластична деформація полягає у переміщенні атомів відносно один одного на відстані більше ніж відстані між атомами із одних рівноважних положень в нові. При цьому не порушується суцільність, але змінюється структура, а отже і властивості металу.
Найбільшою пластичністю володіють чисті метали. На величину і характер деформації впливають компоненти, що входять до складу сплавів, тому їх пластичність зменшується порівняно з чистими металами. З підвищенням вмісту вуглецю в сталі пластичність зменшується і при вмісті вуглецю більше 1,5 % сталь насилу піддається куванню. Суттєво вливає на пластичність сталі кремній, який знижує її.
Впливає на пластичність металу і температура. З підвищенням температури нагрівання пластичність металів звичайно зростає, а міцність зменшується. Разом з тим у вуглецевих сталях при температурах 100...400 оС пластичність зменшується, а міцність зростає. Цей інтервал температур називають зоною крихкості. Фактором впливу на пластичність металу є також швидкість деформації – зміна ступеню деформації
· в одиницю часу (d
·/dt).
Звичайно механічні властивості металів визначаються при швидкостях деформування до 10 мм/с. Загалом із зростанням швидкості деформації пластичні падає.
Важливо, що в процесі пластичної деформації в металі виникають головні напруги, які діють у трьох напрямках і також являються фактором впливу на пластичність металу.
Зміна структури литого металу при деформації . Структура литого металу заготовок неоднорідна. Основу її складають зерна первинної кристалізації (дендрити) різних розмірів і форми, на границях яких утворюються неметалеві включення, а також існують пори і газові бульбашки. Висока ступінь деформації при високій температурі викликає подрібнення зерен, а також часткове заварювання пор.
В процесі деформації зерна і міжкристалічні прошарки витягуються у напрямку найбільшої деформації, цим самим впливаючи на механічні властивості металу (виникнення анізотропії властивостей).

Характеристика основних видів обробки металів тиском: прокатка, пресування, волочіння, кування, штампування.

Прокатка – це обтискання металу обертаючими валками. Прокаткою одержують вироби з постійним по довжині поперечним перерізом (прутки, рейки, листи, труби, балки – рисунок 9.7).
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рисунок 9.7 – Схема вальцювання-прокатки металу:
1- заготовка; 2,3 – валки; h0 – початкова і h1 – кінцева висота заготовки;
· – кут захоплення

При прокатці схема головних напруг відповідає об’ємному обтисканню з максимальною напругою у напрямку тиску валків. Форма (профіль) прокату обумовлений формою прокатних валків.
Пресування полягає у продавлюванні нагрітого металу, що знаходиться в замкнутому об’ємі, через отвір у матриці (рисунок 9.8).
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рисунок 9.8 – Схема виготовлення виробів пресуванням

Форма і розміри поперечного перерізу видавлюваних прутків відповідає формі і розмірам цього отвору.
Волочіння (рисунок 9.9) представляє собою протягування заготовки через отвір у волочильній матриці (у волоці).
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рисунок 9.9 – Схема волочіння: 1 – волока; 2 – заготівка; 3 – загострений кінець заготівки; 4 – захват [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]

Волочінням одержують тонкі сорти дроту, калібровані прутки, тонкостінні труби.
Кування - процес деформування нагрітої заготовки між бойками молота або преса. Зміна форми і розмірів заготовки досягається послідовним впливом бойків або інструменту на різні ділянки заготовки.
Штампування (листове) призначене для одержання плоских і об’ємних пустотілих деталей із листа або смуги за допомогою штампів на холодноштамповочних машинах (рисунок 9.10; а, б).



Рисунок 9.10 – Схеми процесу штампування: а,б – листове, в – об’ємне

Штампування (об’ємне) полягає у одночасному деформуванні всієї заготовки у спеціальному інструменті – штампі на молотах, пресах або горизонтально-кувальних машинах. Форма і розміри внутрішньої порожнини штампа визначають форму і розміри заготовки (рис. 9.10; в).

Температурний інтервал гарячої обробки металу тиском

Для підвищення пластичності і зменшення опору деформуванню метали і сплави перед обробкою тиском нагрівають до певної температури. Для кожного металу існує такий температурний інтервал, в якому забезпечуються оптимальні умови гарячої обробки тиском. Нагрівання металу супроводжується рядом явищ, які необхідно враховувати при виборі температури і режиму нагрівання.
Залежно від температурно-швидкістних умов деформування розрізняють холодну й гарячу деформацію.
Холодна деформація характеризується зміною форми зерен, які витягуються у бік найбільш інтенсивного течії металу. При холодній деформації зміна форми зерен супроводжується зміною механічних і фізико-хімічних властивостей металу. Це називають зміцненням (наклепом). Зміна механічних властивостей полягає в тому, що при холодній пластичній деформації принаймні зростають характеристики міцності, а характеристики пластичності – знижуються. Метал стає більш твердим, але менш пластичним. Зміцнення виникає внаслідок повороту площин ковзання, збільшення спотворень кристалічною решітки у процесі холодного деформування (накопичення дислокацій біля границь зерен).
Зміни, внесені холодною деформацією до структури, і їхні властивості металу не зворотні. Вони можуть бути усунуті, приміром, за допомогою термічної обробки (відпалом).
Перед гарячої обробкою тиском метали нагрівають до певної температури (початок гарячої обробки тиском) для підвищення їх пластичності і зменшення опору деформації.

При високих температурах нагрівання інтенсивно росте зерно. Це явище називається перегрівом. Перегріта сталь характеризується більш низькими механічними властивостями – зменшення відносного видовження і ударної в’язкості складає біля 25 %.
Для максимального підвищення пластичності металу температура початку обробки повинна бути якомога високою, але не викликати перегріву та перепалення. Температурний інтервал гарячої обробки вуглецевих сталей з 0,2...0,7 % С – 1280...800 оС; з 0,8...1,3 % С – 1100...760 оС. Мідні сплави обробляють в інтервалі температур 900...700 оС; дюралюміній – 470...400 оС; титанові – 1100...900 оС.


Лекція 10 Неметалеві матеріали, їх характеристики та застосуванням

Мета: Сформувати у курсантів компетентності з питань основних неметалевих матеріалів, їх властивостей та застосування.

1 Композиційні матеріали, їх класифікація та властивості.
2 Полімери, їх будова , властивості та застосування.
3 Пластичні маси, їх види, будова, властивості та застосування.
4 Гума, її властивості види та використання.

Рекомендована література
[1. с. 385 – 434, 445 – 454; 2. с. 259 – 290; 3. с. 367– 380; 4. с. 250 – 310; 6. с. 150 – 178; 7. с. 626 – 654; 8. с. 54 – 56]

Композиційні матеріали, їх класифікація та властивості

Композиці
·йними матеріа
·лами (КМ), або компози
·тами, називають [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], отримані поєднанням двох або більше компонентів, які нерозчинні або малорозчинні один в одному і мають властивості, що сильно відрізняються. Скажімо, один компонент пластичний (зв'язувальна речовина, або матриця), а другий має високі характеристики міцності (наповнювач, або зміцнювач). Таким чином, у КМ кожний компонент грає свою специфічну роль: матриця забезпечує пластичність, зміцнював – міцність матеріалу.

Класифікація композиційних матеріалів. КМ класифікують за рядом ознак:
за формою зміцнювального компонента (волокнисті, дисперсно-зміцнені, шаруваті). Волокна можуть бути безперервними і дискретними;
за видом матеріалу матриці (металеві, керамічні, полімерні, вуглецеві);
за схемою армування (для волокнистих матеріалів)  з одноосьовим, двохосьовим, трьохосьовим, багато осьовим армуванням;
за видом матеріалу зміцнювача (металеві частинки, металеві волокна і шари, вуглецеві, борні, скляні, органічні, керамічні волокна). Залежно від технології введення армувальних волокон у матрицю застосовують різні форми армувальних елементів  нитки,
джгути, стрічки, тканини.

Будова композиційних матеріалів. У КМ на основі полімерних матриць як полімер використовують епоксидні, фенольні, поліуретанові, поліамідні смоли. Ці смоли мають низьку густину, невисоку температуру полімеризації, високу [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] і [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], достатню адгезійну міцність з основними видами армувальних волокон, гарні технологічні властивості.
Як матеріали зміцнювачів застосовують високоміцні і високо жорсткі (з високим модулем пружності Е) волокна всіх перелічених вище типів залежно від умов роботи виробу. Ними можуть бути тонкий [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], спеціально виготовлені волокна, вуса. Діаметр волокон змінюється від одиниць до декількох десятків мікрометрів.
У КМ з металевою матрицею основним матеріалом для матриць є сплави на основі [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], іноді [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Як зміцнювач використовують вуглецеві волокна, нитки з карбіду кремнію, оксиди алюмінію, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], тонкі дроти металів.
У КМ керамічного типу матрицею служать оксиди, нітриди, карбіди, інтерметаліди.

Властивості та використання КМ. Властивості КМ залежать від матеріалу матриці і зміцнювача, кількісного їх співвідношення, форми зміцнювача, для волокнистих КМ  від схеми армування і довжини волокон.
Матриця зв'язує композицію, придає їй форму. Від властивостей матриці залежать технологічні режими одержання КМ і такі важливі характеристики, як робоча температура, густина, питома міцність.

Застосування КМ. КМ з полімерною матрицею, зокрема, матеріали, армовані скляним волокном (склопластики), можуть з успіхом замінити сталь при виготовленні кузовів автомобілів. Лист із такого КМ розміром 1,8Ч3 м важить всього 2,4 кг. Це приводить до зниження маси автомобіля на 500–1000 кг, що дозволяє загалом заощадити близько 1 млн тонн металу і значно зменшити витрати палива.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] застосовують для виготовлення корпуса ракети СС 20, для газових балонів автомобілів. Одна з японських фірм виробляє із склопластика болти та гайки, які у 4 рази легше; сталевих, не кородують, а за міцністю не поступаються сталевим.
Кузова гоночних автомобілів виготовляють з [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (полімерної матриці, армованої вуглецевими волокнами), що значно знижує їх масу.
Вугле- і склопластики є перспективними матеріалами для використання в будівництві у вигляді профілів (балок, швелерів, двотаврів і т. д.). Вуглепластик застосовують для виготовлення деталей автомобіля: шатунів, ресор, карданних валів, при цьому вироби стають дуже легкими. Компанія «Форд» більше 1000 видів деталей автомобіля виготовляє з КМ.

Полімери, їх будова , властивості та застосування

Полімери. Основу неметалевих матеріалів складають високо- молекулярні сполуки (полімери) – складні речовини з великою молекулярною масою. Полімери – це неорганічні і органічні, аморфні і кристалічні речовини, що складаються з "мономерних ланок", сполучених в довгі макромолекули відповідно хімічними або координаційними зв'язками (рисунок 10.1). Полімери – високо-молекулярні сполуки, що містять велику кількість мономерних ланок, – структурних фрагментів, що повторюється і включають декілька атомів, наприклад, полівінілхлорид (-СН2 – CHCl -)n, каучук натуральний, поліетилен та ін. Основні типи полімерних матеріалів – пластичні маси, гуми, волокна, лаки, фарби, клеї, іонообмінні смоли. У техніці полімери знайшли широке застосування як електроізоляційні і конструкційні матеріали. Полімери – хороші електроізолятори, широко використовуються у виробництві різних по конструкції і призначенню електричних конденсаторів, кабелів і ін..

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рисунок 10.1 – Структура поліетилену

До полімерів також відносяться численні природні сполуки: білки, нуклеїнові кислоти, полісахариди, каучук і інші органічні речовини. Назви полімерів утворюються з назви мономера з приставкою полі-: поліетилен, полівінілацетат, поліпропілен і ін. Поліетилен – це довгий ланцюжок атомів вуглецю, до кожного з яких приєднані два атоми водню (рисунок 10.2).

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]

Рисунок 10.2 – Структура поліетилену.

Властивості полімерів визначаються не тільки хімічним складом молекул, але і їх взаємним розташуванням та будовою. Від форми макромолекул залежать такі властивості, як еластичність, міцність, реакція на нагрівання, хімічна стійкість та ін.
Епоксидна смола (ЕС) – олігомери (низькомолекулярний продукт полімеризації), що містять епоксидні групи і здатні під дією отверджувачів (поліамінів та ін.) утворювати зшиті полімери. На основі епоксидних смол виробляються різні матеріали, вживані в різних галузях промисловості. Вуглеволокно і ЕС утворюють вуглепластик (використовується як конструктивний матеріал в різних галузях: від авіабудування (Боинг- 777) до автобудування. Композит на основі ЕС використовуються в кріпильних болтах ракет класу земля-космос. ЕС з кевларовим волокном – матеріал для створення бронежилетів.
Частенько епоксидні смоли використовують як епоксидний клей або просочувальний матеріал – разом із склотканиною для виготовлення і ремонту різних корпусів або виконання гідроізоляції приміщень, а також як найдоступніший спосіб у побуті виготовити продукт із скловолокна. Виріб відразу готовий після відливання у форму, а також і з вірогідністю подальшого розрізання і шліфовки.
Із склотканини з ЕС роблять корпуси плавзасобів, що витримують дуже сильні удари, різні деталі для автомобілів і інших транспортних засобів.

Пластичні маси, їх види, будова, властивості та застосування

Пластичні маси (пластмаси) – це матеріали одержані на основі природних або синтетичних полімерів. З них під впливом нагрівання і тиску можна одержати вироби складної конфігурації, що стійко зберігають надану форму і розміри після припинення термо-механічного впливу.
Вироби із пластмас характеризуються високими фрикційними та антифрикційними властивостями, значною хімічною та корозійною стійкістю, низькою теплопровідністю, хорошими електроізоляційними властивостями, а головне, малою густиною 0,0152,0 г/см3 і значною межею міцності
·в = 30480 МПа, добре зварюються, склеюються і обробляються різанням.
Термопласти. Основу термопластів складають полімери, що володіють еластичністю. При тепловому впливі вони не зазнають хімічних перетворень і не втрачають здатності до повторної переробки. Серед термопластів найбільш розповсюджені поліетилен, полістирол, фторопласт, капрон, органічне скло та ін. Як правило, термопласти відносять до простих пластмас, хоча інколи до них додають пластифікатори.
Переробку пластмас у вироби здійснюють шляхом екструзії (формування термопластів видавлюванням), пресуванням, штампу-ванням, литтям під тиском, зварюванням, склеюванням.
Поліетилен – продукт полімеризації газу етилену, механічно достатньо міцний, зберігає одержану форму до 60 єС, хороший діелектрик, морозостійкий (до – 60 єС). Це досить дешевий, легкий, водостійкий матеріал, використовується при виготовленні проводів, кабелів, плівок, труб, ємностей для агресивних рідин.
Полістирол – твердий аморфний продукт полімеризації ненасиченого вуглеводню – стиролу. Випускається промисловістю у вигляді листів, стержнів (блоків), порошку. Блочний полістирол прозорий (світлопроникність до 90 %), безкольоровий. Полістирол гарний діелектрик, широко використовується в якості електро-ізоляційного матеріалу, легко піддається обробці різанням.
Фторопласт – кристалічний полімер, володіє високою хімічною стійкістю, високими антифрикційними властивостями. Крім того, його використовують в якості діелектрика, антифрикційного матеріалу, захисного покриття металів тощо. Із фторопласту виготовляють труби, шланги, насоси.
Заслуговують на увагу конструкційні шаруваті термореактивні матеріали: текстоліт, гетинакс, склотекстоліт.
Текстоліти – шаруваті матеріали, що одержують шляхом пресування укладених правильними шарами бавовняно-паперових тканин (батист, шифон, саржа та ін.) та просочених фенолформаль-дегідними смолами. Вони масло - і бензостійкі, достатньо водостійкі, мають гарні фізико-механічні властивості. Як конструкційний матеріал текстоліт широко використовується в машинобудуванні для виготовлення прокладкових кілець, шестерень, вкладишів підшипників, деталей в електро- та радіотехніці.
Гетинакс – досить дешевий електроізоляційний матеріал. Наповнювачем у гетинаксі служить папір. Використовується в електро-техніці та як лицювальний декоративний матеріал.
Склотекстоліт одержують, використовуючи в якості наповню-вача скловолокно. Це надає матеріалу більшу теплостійкість, електро-ізоляційну здатність.

Гума, її властивості види та використання

Гума. Гума представляє собою продукт вулканізації гумової суміші (композиції, що містять каучук, наповнювачі, пластифікатори, прискорювачі і активатори вулканізації та ін.). Гума – конструкційний матеріал з високою еластичністю, тобто здатністю до значних зворотних деформацій (до 1000 %). Гума володіє досить цінними специфічними властивостями: високою еластичністю та пружністю, здатністю багаторазово згинатися, опиратися стиранню, поглинати вібрації; вона гідро- і газонепроникна, стійка проти впливу рідкого палива і мастил, має високі діелектричні властивості.
Завдяки зазначеним властивостям гума широко використовується для виготовлення різноманітних виробів (рисунок 10.3): для ущільнення люків, дверей, ілюмінаторів на судах; шин для автомобілів, літаків; рукавів для подачі різних рідких та газоподібних речовин (води, пального, мастил, газів); приводних ременів та транспортерних стрічок, ущільнюючих елементів, амортизаторів, електроізоляційних елементів, водоплавальних засобів та багато інших.
Амортизатори призначені для застосування як відбійних пристроїв при швартовці малотоннажних суден до пірсу або причалу при температурі навколишнього повітря від - 40 до + 40 °С. Амортизатори є гумовими трубами різного діаметру.



Рисунок 10.3 – Приклади деяких виробів з гуми

Рідка гума – це гідроізоляційний матеріал нового покоління. Наноситься він напиленням, миттєво твердне, його характеристики значно перевершують всі ті гідроізоляційні матеріали, які були винайдені раніше.
Особливу роль в літако- і суднобудуванні грає силіконова гума. Саме у цих галузях потрібна її працездатність при високих і низьких температурах. Тому силіконовій гумі тут віддається перевага при виготовленні ущільнювачів і ізоляції.
Гнучка й еластична силіконова гума має унікальну хімічну структуру, що надає їй високу температурну стійкість і хімічну інертність, як ні в якого іншого еластомера, і як результат - вона може працювати в умовах, де не може використовуватися ні який інший матеріал. Дана гумова пластина значно перевершує інші еластомери в стійкості до впливу високих температур, перевершує їх за терміном служби, має меншу залишкову деформацію й антигезійними властивостями, не має заходу, смаку й не токсична, має відмінну стійкість до атмосферних впливів, тому що не піддається впливу сонячних променів, озону, вологи й сухості.
Отже, всі зазначені неметалеві матеріали мають суттєве використання в різних галузях народного господарства і, зокрема, у суднобудуванні.







Рекомендована література

1 Атаманюк В. В. Технологія конструкційних матеріалів: Навчальний посібник для вищих навчальних закладів. – К.: Кондор, 2006. – 528 с.

2 Попович В., Попович В. Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство. – Львів: Світ, 2006. – 624 с.:Іл.

3 Прейс Г. А. Технология конструкционных материалов: Учебник. – К.: Выща шк., 1991. – 392 с.: ил.

4 Гарнець В.М. Матеріалознавство: Підручник. – К.: Кондор, 2009. – 348 с.

5 Гуляев А. П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.

6 Никифоров В. М. Технология металлов и конструкционные материалы. – Л.: Машиностроение, 1987. – 363 с.

7 Дальский А. М. Технология конструкционных материалов. – М.: Машиностроение. 2004. – 512 с.

8 Моісеєнко Л. Л. Матеріалознавство та технологія матеріалів: Основи теорії, лабораторний практикум, індивідуальні завдання: Навчальний посібник. – Херсон: ХДМІ, 2010. – 192 с., іл.
























Навчальне видання


Моісеєнко Леонтій Леонідович


Технологія матеріалів: тексти лексій

Навчально-методичний посібник
для курсантів морських закладів освіти
денної форми навчання.

Професійне спрямування: Судноводіння








Технічний редактор Дудченко С.Г.

Формат 60 х 84 1/16. Папір офсетний. Друк: різографія
Умовних друкованих аркушів 6,0. Наклад 50 прим.

Підписано до друку 30.10. 2014.

Видруковано у ТОВ “Айлант”
Свідоцтво про державну реєстрацію ХС №1 від 20.08.2000
73000, Україна, м. Херсон, пров. Пугачова, 5/20
Тел. (0552) 49 – 33 – 48









13PAGE 15


13PAGE 149615



Легкі
(з густиною
· < 5 г/см3)

Літій – 0,543 г/см3
Калій – 0,862 г/см3
Натрій – 0,971 г/см3
Кальцій – 1,54 г/см3
Магній – 1,68 г/см3
Берилій – 1,8 г/см3
Алюміній – 2,7 г/см3
Титан – 4,5 г/см3

Важкі
(з густиною
· > 5 г/см3)

Сурма – 6,62 г/см3
Цинк – 7,10 г/см3
Хром – 7,14 г/см3
Олово – 7,29 г/см3
Мідь – 8,90 г/см3
Вісмут – 9,84 г/см3
Свинець – 11,3 г/см3
Ртуть – 13, 6 г/см3



Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 19007068
    Размер файла: 6 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий