Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекционный материал-Электротехнические материалы - файл 1.doc


Лекционный материал-Электротехнические материалы
скачать (3233 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc3233kb.20.11.2011 00:24скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
Реклама MarketGid:
Загрузка...
Раздел 1 Основы металловедения
Тема 1.1 Введение. Строение и свойства металлов и сплавов
Материаловедением называется наука о структуре и свойствах материалов.

Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с разработкой и использованием новых материалов. Совершенст­вование применяемых материалов является необходимым услови­ем успешного развития любой отрасли техники. В полной мере это относится к таким техническим отраслям, как электротехника и ра­диоэлектроника, для которых именно качество материалов стано­вится ключом к разработке сложных инженерных решений и созда­нию новейшей электронной аппаратуры. Применяемые в этих об­ластях металлические и неметаллические материалы обладают особыми физическими свойствами: электрическими, магнитными, свойствами теплового расширения и т.д. Знание свойств материа­лов и объективных закономерностей зависимости этих свойств от физической природы, структуры, состава, технологических и экс­плуатационных факторов позволяет специалисту не только грамот­но выбирать материал при проектировании электротехнических уст­ройств, но и грамотно эксплуатировать их.

Электротехническими являются специальные материалы, из которых изготавливают электрические машины, аппараты, приборы и другие элементы электрооборудования и электроустановок. Основные группы: проводниковые, полупроводниковые, магнитные и электроизоляционные — диэлектрики.

Проводниковые материалы используются в элект­ротехнических устройствах в качестве проводников элект­рического тока: всевозможные обмотки в машинах, аппара­тах и приборах, контактные узлы, провода и кабели для передачи и распределения электрической энергий.

Полупроводники занимают по удельной проводимости промежуточное место между проводниками и диэлектри­ками. Их применяют в выпрямителях, в усилите­лях, в фотодатчиках, в качестве специальных источников тока и т. п.

Магнитные материалы отличаются способностью усили­вать магнитное поле, в которое их помещают, т. е. обла­дают большой магнитной проницаемостью. Они исполь­зуются для изготовления магнитопроводов в электрических машинах и трансформаторах, для экранирования магнит­ного поля, а также в виде постоянных магнитов, создающих вокруг себя магнитное поле.

Электроизоляционные материалы не проводят электрический ток. Ди­электрики служат для изоляции друг от друга различных токопроводящих деталей, находящихся под разными потенциалами, или для создания электрической емкости в конденсаторах.

Диэлектрики бывают газообразными (воздух, водород, элегаз), жидкими (дистиллированная вода, различные масла), твердыми (бумага, керамика, резина и т.д.).

Причинами выхода изоляции из строя являются старение и пробой.

Под старением понимается комплекс процессов в материалах, вызванных различными факторами, под воздействием которых ухудшается их качество. Основные факторы: повышенная температура, повышенное напряжение, климатические факторы, механические воздействия, загрязнение. Процесс старения можно замедлить, а иногда отдалить его начало. Для этого применяют специальные вещества (стабилизаторы и ингибиторы), предотвращающие действие электрического поля и химических реакций. Добавляются в материалы для замедления окисления примеси (антиоксиданты), которые более активны по отношению к кислороду, чем частицы самого материала.

Пробоем называют внезапную потерю электроизоляционной способности электрической изоляции или неконтролируемое повышение электрической проводимости изоляции, которое могут вызывать следующие процессы: ударная ионизация, чрезмерный нагрев, старение.

Противостоять воздействиям длительно без ухудшения свойств может только надежная изоляция. Оценивают свойства изоляции на заводах - изготовителях в результате проведения целого комплекса испытаний. При испытании изоляционных материалов выбирают более жесткие условия, чем в эксплуатации. Установлено два вида испытаний: контрольные и типовые.

Контрольным испытаниям подвергают каждую партию изделий, например, при изготовлении лакотканей принимают один рулон. В контрольные испытания входят: проверка материала визуальным осмотром, определение размеров, пробивного напряжения и т. д.

Типовые испытания наиболее расширены, их проводят не реже одного раза в три месяца или же в том случае, когда изменяется технологический процесс изготовления или применяется другое сырье, а также в случае требования служб надежности завода – изготовителя.
«Кристаллическое строение металлов»

Вещества в твердом состоянии имеют кристаллическое или аморфное строение.

В аморфных веществах (янтаре, смолах, битумах, кварцевом стекле) атомы расположены беспорядочно, при нагревании аморф­ные вещества размягчаются и переходят в жидкое состояние.

Большинство минералов, все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Эти вещества при нагреве остаются в твердом состоянии и переходят в жидкое при определенной тем­пературе.





Рисунок 1 Атомно – кристаллическое строение металлов
Располагаясь в строгом геометрическом порядке, атомы в плоскости образуют атомную сетку (рис.1,а), а в пространстве – атомно-кристаллическую решетку (рис.1,б).

Кристаллические решетки состоят из огромного количества ячеек. Типы кристаллических решеток у различных металлов различные. Наиболее часто встречаются: кубическая объемно-центрированная (рис. 1, в), кубическая гранецентрированная (рис. 1, г) и гексагональная плотноупакованная (рис.1, д). На рисунке 1,в приведена ячейка и часть кубической объемно - центрированной пространственной решетки, ограниченная восемью сопредельными элементарными ячейками; узлы, располо­женные по вершинам и в центре каждой ячейки, отмечены кружками.

Элементарная ячейка кубической гранецентрированной решетки (рис.1, г) ограничивается 14 атомами: восемь из них расположены ни вершинам куба, шесть — по его граням.

На рисунке 1, д приведена схема элементарной ячейки гексагональной решетки. Она ограничена 17 атомами, из которых 12 расположены по вершинам шестигранной призмы, два атома — в центре основа­ний и три — внутри призмы.

«Дефекты кристаллических решеток»

Реально структура кристаллов отличается от приведенных иде­альных схем, в них имеются дефекты.




Рисунок 2 Дефекты кристаллических решеток
Точечными, дефектами являются пустые узлы, или вакансии (рис. 2,а) и межузельные атомы (рис. 2,б); число этих дефектов возрастает с повышением температуры. Важнейшими линейными (одномерными) дефектами являются дислокации, представляющие как бы сдвиг части кристаллической решетки (см. линию ММ на рис. 2,в). Поверхностные (двухмерные) дефекты определяются наличием субзерен или блоков 1, 2 внутри кристалла (рис. 2,г), а также различной ориентацией кристаллических реше­ток зерен 3, 4 (рис. 2, д). По границам зерен решетка одного кри­сталла переходит в решетку другого, здесь нарушена симметрия рас­положения атомов. Дефекты кристаллов оказывают существенное влияние на механические, физические, химические и технологические свойства металлов.

Металлы являются анизотропными, так как в отдельно взятом кристалле свойства различны в разных направлениях. Следствием анизотропности кристаллов является спайность, ко­торая выявляется при разрушении кристаллов. В изломах, проходящих через кристалл, имеются правильные микроплоскости, что указывает на смещение частей зерен под влиянием внешних сил пра­вильными рядами и в определенном направлении, а не беспорядочно, как это имеет место у аморфных веществ. Эти микроплоскости назы­ваются плоскостями спайности; по плоскостям спайности силы связи между слоями слабее, чем по другим плоскостям кристалла.

Аморфные тела изотропны, т. е. все их свойства одинаковы во всех направлениях; излом аморфного тела всегда имеет неправиль­ную, искривленную, так называемую раковистую форму.

Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят из множе­ства кристаллов, кристаллическая решетка которых по-разному ориентирована, поэтому свойства литого металла приблизительно одинаковы по всем направлениям; это называют квазиизотропностью.

Аллотропия металлов (или полиморфизм)— свойство перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагрева и охлаждения — присуща многим металлам (железу, марганцу, никелю, олову, титану, ванадию и др.).

Компонентом называют химически индивидуальное вещество, т. е. компонентами являются химические элементы и химические соединения.

Системой называют совокупность веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Системы бывают простые и сложные. Простая система состоит из одного компонента. Сложная система включает несколько компонентов и представляет все возможные количественные сочетания их при различных температурах.

Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других составляющих (фаз) поверхностью раздела. В жидком состоянии однородная система содержит одну фазу; при затвердевании всегда имеются две фазы: жидкая и твердая. После затвердевания образуется или одна фаза (химический элемент, химическое соединение, твердый раствор) или сплав, содержащий сочетание фаз.
«Кристаллизация металлов»

Кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация), а также пере­кристаллизация в твердом состоянии (вторичная кристаллизация) при их охлаждении. К вторичной кристаллизации относятся пере­кристаллизация из одной модификации в другую (полиморфные превращения), распад твердых растворов, распад или образование химических соединений.

Температура, соответствующая какому-либо превращению в металле, называется критической точкой.


Рисунок 3 Кривые процесса кристаллизации металла
На рис.3, а приведена кривая охлаждения металла. Здесь точки а и в соответствуют началу и окончанию затвердевания. Участок ав характеризует неиз­менность температуры при продолжающемся охлаждении. Это указывает на то, что при кристаллизации выделяется тепловая энергия. Чтобы вызвать в металлическом расплаве выделение твердой фазы, необходимо некоторое переохлаждение (tпх) системы против равновесной температуры (tр), при которой жидкая и твердая фазы являются термодинамически устойчивыми; и обратно, чтобы вызвать плавление кристаллов, металл необходимо несколько перегреть (tпг) против равно­весной температуры (рис. 3, б).

При затвердевании и аллотропическом превращении в металле вначале возникают зародыши кристалла (центры кристаллизации), вокруг которых затем группируются атомы, образуя соответствую­щую кристаллическую решетку.

Таким образом, процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров кристаллизации и роста кристаллов. У каждого из растущих кристаллов кристаллографические плоскости ориентированы случайно, кроме того, при первичной кристаллиза­ции кристаллы могут поворачиваться, так как они окружены жидкой фазой. Смежные кристаллы растут навстречу друг другу и точки их соприкосновения определяют границы кристаллитов (зерен, гранул). У аморфных веществ кривые охлаждения плавные, без площадок и уступов: аллотропии у этих веществ быть не может.
«Основные свойства металлов»

У металлов выделяют механические, технологические, физические и химические свойства.

Механические свойства:

  1. Прочность — это способность материала сопротивляться разрушению и появлению остаточных деформаций под действием внешних сил;

  2. Твердость - сопротивление материала деформации в поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии (изготавливают режущие инструменты);

  3. Упругость — свойство материала восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию;

4) Вязкость - способность материала поглощать механическую энергию и при этом проявлять значительную пластичность вплоть до разрушения. Вязкие металлы применяют для деталей, которые при работе подвергаются ударной нагрузке.

5) Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, волочить).

Физические свойства:

1) Способность плавиться при нагревании используют для получе­ния отливок путем заливки расплавленного металла в формы. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляются в горячей воде. Такие сплавы применяют для отливки типографских матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров и т. п.

2) Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используют в электромашиностроении, для устройства линий электро­передачи, а сплавы с высоким электросопротивлением—для ламп накаливания, электронагревательных приборов.

3) Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (электрические генераторы, электродвигатели, трансформаторы), приборостроении (телефонные, телеграфные аппараты) и т. д.

4) Теплопроводность металлов дает возможность равномерно нагревать их для литья, обработки давлением, термической обработки; она обеспечивает также возможность пайки металлов, их сварки и т. п.

Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в химически активных средах (колосниковых решеток, деталей аппаратов и машин в химической промышленности). Для деталей, которые должны обладать высокой корро­зионной стойкостью, производят специальные коррозионно-, кисло­стойкие и жароупорные стали и другие сплавы.
«Основные сведения о сплавах»

Металлическими сплавами называют сочетания двух или нескольких металлов и неметаллов, у которых сохраняются металлические свойства. Большинство сплавов получают в жидком состоянии сплавлением, однако они могут быть получены также путем спекания, электролиза, конденсации из парообразного состояния.

По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т. д. В зависимости от при­роды компонентов образуются следующие виды сплавов:

  1. механическая смесь компонентов;

  2. твердый раствор компонентов;

  3. химическое соединение компонентов.

Сплавы — механические смеси — неоднородны и представляют собой смесь кристаллов компонентов.

Сплавы — твердые растворы и сплавы — химические соедине­ния — однородны, причем первые могут содержать различное соот­ношение компонентов, а вторые образуются только при строго опре­деленном массовом соотношении компонентов, как всякое химиче­ское соединение.

В сплавах — твердых растворах — атомы растворимого вещества замещают атомы растворителя в кристаллической решетке (рис. 4, а) или внедряются в нее (рис. 4, б); сплавы — химические соедине­ния — образуют новую кристаллическую решетку.



Рисунок 4 Расположение атомов в твердых растворах
«Диаграммы состояния»

Диаграммы состояния представляют системы, компоненты которых полностью взаимно растворяются в жидком состоянии. Они характеризуют процессы затвердевания и структур­ного изменения различных сплавов и дают наглядное представление о фазовом составе в любом сплаве данной системы и при всех охва­тываемых диаграммой температурах.

По диаграмме состояния сплавов данных компонентов можно заранее судить о свойствах всех сплавов системы. Диаграмма со­стояния позволяет выбирать температуру нагрева сплава при тер­мической обработке сплава, обработке его давлением, температуру нагрева для литья.

Построение диаграмм состояния производится по кривым охлаждения, полученным посредством термического анализа, который сводится к выявлению критических точек при нагревании и охлаждении металлов и сплавов.

  1. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых в твердом состоянии образуют механические смеси. Например, рассмотрим сплав свинца и сурьмы (Pb – Sb)



Рисунок 5 Диаграмма состояния механической смеси


  1. По линии АВ начинается выделение кристаллов свинца;

  2. В области диаграммы АВD находятся кристаллы свинца и жидкий растров;

  3. По линии BD затвердевает весь оставшийся раствор;

  4. По линии ВС начинается выделение кристаллов сурьмы;

  5. В области диаграммы СВЕ находятся кристаллы сурьмы и жидкий раствор

  6. В точке в происходит одновременно кристаллизация сурьмы и свинца, образуется эвтектический сплав (легкоплавящийся), имеет низкую температуру плавления.

Линия АВС – линия ликвидуса, жидкое состояние. Линия DBE – линия солидуса, твердое состояние.


В
2) Диаграмма состояния систем сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Рассмотрим систему сплавов медь- никель (Cu – Ni)

.

Рисунок 6 Диаграмма состояния твердых растворов

При медленном охлаждении в каждый момент кристаллизации состав кристаллов выравнивается вследствие диффузии. Если охлаждение производить быстро, состав внутри кристаллов не успевает выравниваться. Это явление называется ликвацией.

Твердые растворы в отличие от смесей являются однофазными. Взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии определяется следующими факторами:

  1. близостью их расположения в периодической системе Менделеева (то есть сходностью строения электронных оболочек их атомов);

  2. близостью атомных диаметров;

  3. подобием кристаллических решеток:

  4. небольшой разностью температур плавления компонентов.

3) Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Рассмотрим систему медь – серебро (Cu – Ag)


Рисунок 7 Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью
Линия АВС – ликвидус, выше этой линии находятся жидкие растворы, линия ADBEC – солидус. Верхняя часть диаграммы показывает, что оба компонента взаимно растворимы, но в ограниченном количестве: предельное массовое содержание раствора α (серебра в меди) – 7%, а раствора β (меди в серебре) – 8 %. При большей концентрации по линии DE образуются эвтектика растворов α + β. Кривые DF и EG показывают, что при охлаждении ниже линии эвтектики (DE) происходит постепенный распад твердых растворов α и β (выпадение серебра из раствора α и меди из раствора β).


C
4) Диаграмма состояния системы сплавов с образованием устойчивых химических соединений компонентов. Рассмотрим сплав магний – кальций (Mg – Ca).


А

B



G




I

Рисунок 8 Диаграмма состояния химического соединения

Химическое соединение Mg4Ca3 можно рассматривать как новый, третий компонент, который делит диаграмму Mg – Ca на две диаграммы: Mg – Mg4Ca3 и Mg4Ca3Ca. Для диаграммы Mg – Mg4 - Ca3 линия АВС – ликвидус, линия FG – солидус. По линии АВ начинается выпадение кристаллов магния, по линии ВС – выпадение кристаллов соединения Mg4Ca3. В точке В одновременно кристаллизуются Mg и Mg4Ca3, образуя эвтектику. Система Mg4Ca3 Ca аналогична.
«Диаграмма состав – свойство»

Эти диаграммы являются ценным дополнением к диаграммам состояния сплавов: они характеризуют изменение свойств сплавов в зависимости от состава.

На рис. 9, а—г изображены диаграммы состояния компонентов А и В, изменения твердости Н и электропроводности Е.

В сплавах типа Pb—Sb (рис. 9, а) свойства изменяются прямолинейно от одного компонента к другому; в сплавах типа Сu—Ni (рис. 9, б) твердость при увеличении компонента В сначала возрастает, а затем падает, электропроводность, наоборот, вначале падает, потом возрастает. В системе сплавов с ограниченной растворимостью компонентов (рис. 9, в) свойства изменяются в соответствие с принадлежностью той или иной части диаграммы к виду а или б: сначала, пока образуется смесь твердых растворов, свойства изменяются прямолинейно, затем, когда образуется твердый раствор, прямолинейный ход изменения свойств нарушается.

Изменение свойств в сплавах — химических соединения (рис. 9, г) выражается ломаными линиями, и каждое из них может быть представлено двумя различными прямыми на двух отдельных диаграммах.

Рисунок 9 Диаграмма состояния компонентов
Помимо твердости, прочности, электропроводности диаграммы состояния дают возможность определить литейные свойства, способ­ность поддаваться обработке давлением, резанием и т. д.

^ Тема 1.2 Сплавы железа с углеродом
К железоуглеродистым сплавам относятся стали и чугуны. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства сталей и чугунов, являются железо и углерод.

Железо может находиться в двух аллотропических формах —α и γ. Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химическое соединение. α-железо растворяет очень мало углерода (до 0,02 % при 727 °С). Твердый раствор углерода и других элементов в α -железе называется ферритом. Феррит имеет низкую твердость и прочность, γ-железо растворяет значительно боль­шее количество углерода —до 2,14 % при 1147 °С. Твердый раствор углерода и других элементов в γ-железе называется аустенитом. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при вы­соких температурах. Аустенит пластичен.

Железо с углеродом также образует химическое соединение Fe3C, называемое цементитом, или карбидом железа. В цементите содер­жится 6,67 % С; он имеет высокую твердость, но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность.

Сплавы железа с углеродом, в которых в результате первичной кри­сталлизации в равновесных условиях получается аустенитная струк­тура, называют сталями.

Сталь —это железоуглеро­дистые сплавы с содержанием до 2,14 % С. Сплавы с содержанием более 2,14 % С, называют чугунами. Излом таких чугунов светлый, блестящий (белый излом), поэтому такие чугуны называют белыми.

Процесс, в результате которого углерод выделяется в свободном состоянии в виде графита, называют графитизацией. Графит является неметаллической фазой.
«Чугун»

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают: белый чугун, в котором весь углерод связан в цементит; серый чугун в котором весь углерод находится в свободном состо­янии в виде графита или часть углерода (большая) находится в виде графита, а часть в связанном состоянии в виде цементита; форма графита пластинчатая (рис. 10, а); высокопрочный чугун, то же, что и серый чугун, но форма графита шаровидная (рис. 10, б); ковкий чугун, то же, что и серый чугун, но форма графита хлопье­видная (рис. 10, в).


Рисунок 10 Микроструктура чугуна с различной формой графита и внешний вид графитовых включений в чугуне: а) пластинчатый графит в сером чугуне; б) шаровидный графит в высокопрочном чугуне; в) хлопьевидный графит в ковком чугуне
^ Серый чугун. Чугун, в котором весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита, т. е. нет цементита, и структура ферритно-графитная называют серым ферритным чугуном.

Графитизация и структура чугуна существенно зависят от химиче­ского состава и скорости охлаждения отливки.

Серые чугуны кроме железа и углерода содержат примеси крем­ния, марганца, серы и фосфора. Кремний способствует графитизации чугуна (содержание его в чугуне 0,5—4,5 %). Марганец препятствует графитизации, способствует, как говорят, отбеливанию чугуна (содер­жание 0,4—1,3'%). Серу считают вредной примесью, так как она спо­собствует отбеливанию чугуна, понижает прочностные характеристики и снижает жидкотекучесть (допускается < 0,12 %). Фосфор улучшает жидкотекучесть (при содержании до 0,8 %), но увеличивает хрупкость. Обычно для получения заданной структуры регулируют содержание углерода, кремния и марганца.

На структуру чугуна значительно влияет скорость охлаждения.
Чем тоньше отливка, тем быстрее охлаждение и в меньшей степени
протекает процесс графитизации. Поэтому при одном и том же химическом составе чугуна структура получается различной в зависимости
от толщины отливки.

Механические свойства серого чугуна в основном определяются количеством, формой и размерами включений графита. Чем больше графита в чугуне, чем крупнее пластинки графита, тем ниже механи­ческие свойства. Для получения мелких, завихренной формы чешуек графита применяют модифицирование —добавление в жидкий чугун перед разливкой ферросилиция или силикокальция, играющих роль зародышевых центров выделения графита.

Серые чугуны маркируют буквами СЧ, затем ставят два двузнач­ных числа: первое число показывает предел прочности при растяже­нии, второе — предел прочности при изгибе. Например, марка СЧ 15-32 показывает, что, чугун имеет σв= 150 MПа (15 кгс/мм2) и σи = = 320 МПа (32 кгс/мм2).

Отливки из серого чугуна широко применяют в машиностроении: для станин металлорежущих станков, корпусов, поршневых колец, гильз автомобильных и тракторных двигателей и др.

Высокопрочные чугуны. Для получения графита в виде шаровид­ных включений в ковш с жидким чугуном вводят небольшое количество металлического магния.

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ, затем ставят два числа: первое число показывает предел прочности при растяжении, второе —относительное удлинение; например, ВЧ 38-17; ВЧ 120-4 и др.

Чугуны с шаровидным графитом применяют для ответственных деталей, например коленчатых валов, кулачковых валиков и др.

^ Ковкий чугун. Этот чугун получают в результате длительного нагрева (отжига) доэвтектического белого чугуна, при котором проис­ходит распад цементита с образованием графита (хлопьевидной формы, рис.10,в). То есть процесс графитизации ( такой отжим называют графитизирующим).

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ, далее следуют цифры предела прочности при растяжении и относительного удлинения; например, КЧ 35- 10, КЧ- 63-2.

«Углеродистые и легированные стали»

Сталью называют сплав железа с углеродом и другими элемен­тами с содержанием до 2- % С (точнее до 2,14 % С). Если сталь имеет в своем составе железо и углерод и некоторое количество постоянных примесей — марганец (до 0,7 %), кремний (до 0,4 %), серу (до 0,06 %), фосфор (до 0,07 %) и газы, то такую сталь называют углеродистой. Если в процессе выплавки углеродистой стали к ней добавляют легирую­щие элементы—хром, никель, ванадий и др., а также марганец и кремний в повышенном количестве, то такую сталь называют леги­рованной.

«Влияние на сталь углерода, постоянных примесей и легирующих элементов»

Углерод оказывает основное влияние на свойства стали. С увели­чением содержания углерода в стали повышается ее твердость и проч­ность, уменьшается пластичность и вязкость.

Марганец и кремний — полезные примеси. Их добавляют в сталь при выплавке ее для раскисления стали.

Сера с железом образует сульфид железа FeS, который в стали находится в виде эвтектики Fe—FeS с температурой плавления 985^°С. При нагреве стали до температуры 1000—1200 °С для горячей обра­ботки давлением эвтектика плавится, сталь становится хрупкой н при деформации разрушается. Это явление называют краснолом­костью. Красноломкость устраняет марганец. Образующийся пластич­ный сульфид марганца MnS плавится при температуре 1620 °С.

Фосфор растворяется в феррите, повышает хрупкость стали, т. е. вызывает так называемую хладноломкость.

Газы (кислород, азот, водород) частично растворены в стали, при­сутствуют в виде неметаллических включений (окислы, нитриды). Кислород в стали находится главным образом в виде окислов А1203, Si02 и др. Окислы, в отличие от сульфидов, хрупки, при горячей обработке не деформируются, а крошатся, разрыхляют металл. В при­сутствии большого количества водорода возникает опасный дефект — внутренние надрывы в металле, так называемые флокены.

Легирующие элементы оказывают различное влияние на аллотро­пические превращения в железе, фазовые пре­вращения в стали.

К элементам, способным образовывать карбиды, относятся Мn, Cr, W, V и др. Обозначают карбиды формулами, например Cr7C3, W2C, VC и др. Элементы, не образующие карбидов Ni, Si, находятся в стали главным образом в твердом растворе.

Легирующие элементы в различной степени положительно влияют на изменение механических свойств феррита.

Все легирую­щие элементы, за исключением кобальта, замедляют распад аусте­нита.

Увеличивая устойчивость аустенита, легирующие элементы умень­шают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость.

Карбидообразую­щие элементы (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве.
«Классификация сталей»

Стали классифицируют по следующим при­знакам: химическому составу, качеству, структуре, применению.

По химическому составу различают стали углеродистые и легированные. В зависимости от содержания легирующих элементов легированные стали делят на: низколегированные (до 2,5%), среднелегированные (2,5—10%) и высоколегированные (более 10 %).

По качеству различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. При этом учитывается способ выплавки и содержание серы и фосфора.

По структуре различают стали в отожженном и нормализован­ном состояниях: в отожженном состоянии —доэвтектоидный (компонента меньше нормы), заэвтектоидный (компонента больше нормы), ледебуритный (одновременная кристаллизация аустенита и цементита), ферритный (тв.раст-р углерода в α-железе) и аустенитный (тв.раст-р углерода в γ-железе) классы; в нормализованном состоянии—перлитный (одновременная кристаллизация феррита и цементита), мартенситный (перенасыщенный твердый раствор углерода в α-железе). К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих эле­ментов, к мартенситному — с более высоким и к аустенитному — с высоким содержанием легирующих элементов.

По применению стали подразделяют на следующие группы: конструкционные стали—для деталей машин и конструкций; инстру­ментальные стали —для различного инструмента; стали и сплавы с особыми свойствами —например, жаропрочные, коррозионно-стой­кие, магнитные и др.
«Маркировка сталей»

Обозначение сталей обыкновенного качества — буквенно-цифровое, например Ст0, Ст1 —Ст6, БСт0, БСт1 —БСт6, ВСт2—ВСт5. Буквы Ст означают сталь (в марках других сталей буквы Ст не указываются), цифры от 0 до 6 —услов­ный номер марки в зависимости от химического состава и механи­ческих свойств; буквы Б и В —группы стали (группа А в марке стали не указывается). Степень раскисления — индексами: кп — кипящая, пс—полуспокойная, сп—спокойная, например Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, БСт3кп.

Углеродистые качественные конструкционные стали обозначают двузначными цифрами, показывающими среднее содержание угле­рода в стали, выраженное в сотых долях процента. Например, сталь марки 15 содержит в среднем 0,15 % С, сталь 40 —0,40 % С и т. д. Степень раскисления указывают в конце марки, например сталь 08кп.

Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: впереди ставят букву У, за ней цифру —среднее содержа­ние углерода, выраженное в десятых долях процента. Например, сталь марки У9 содержит в среднем 0,9 % С, сталь У11 — 1,1 % С.

В основу обозначения марок легированных сталей положена буквенно-цифровая система. Легирующие элементы указывают русскими буквами: марганец —Г, кремний —С, хром — X, никель —Н, Вольфрам — В, ванадий —Ф, титан —Т, молибден —М, кобальт—К, алюминий — Ю, медь—Д, бор — Р, ниобий—Б, цирконий—Ц, фосфор —П, азот —А.

В марках легированных конструкционных сталей, например 20Х, 18Г2С, 60С2, 18ХГТ, 38ХН3МФ и др., двузначные цифры в на­чале марки —это среднее содержание углерода в сотых долях про­цента, а цифры после букв — примерное содержание соответствую­щего легирующего элемента в целых процентах; отсутствие цифры указывает на то, что оно составляет до 1,5 % и менее. Для высоко­качественных сталей в конце марки ставят букву А; например, сталь 12Х2Н4 — качественная сталь, а сталь 12Х2Н4А —высококачествен­ная.

В марках легированных инструментальных сталей, например X, 9ХС, ХВГ, ЗХ2В8Ф, 5ХЗВЗМФС и др., одна цифра в начале марки указывает среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание менее 1 %. При содержании в сталях 1 % С или более цифру не пишут. Расшифровка в марках инструменталь­ных сталей содержания легирующих элементов такая же, как и в кон­струкционных сталях. Все стали инструментальные легированные и с особыми свойствами всегда высококачественные и поэтому в обо­значениях этих сталей буква А не ставится. В маркировке сталей в начале иногда ставят буквы, указывающие их применение: А — автоматные стали, Р — быстрорежущие, Ш—шарикоподшипнико­вые, Э —электротехнические.
«Конструкционные стали»

Конструкционные стали должны обладать определенным комплексом механических свойств, которые в наибольшей степени определяют работоспособность, т. е. стойкость и надежность деталей и конструкций, которые называют конструк­тивной прочностью. Повышения конструктивной прочности можно достичь только в совокупности металлургических, технологических и конструкторских мероприятий.

Конструкционные строительные стали. Для сварных и клепаных конструкций в строительстве, мостостроении, судостроении применяют углеродистые стали обыкновенного качества (при незначительных напряжениях в конструкциях) и низколегированные стали с невы­соким содержанием углерода (при более высоких напряжениях).

Листовая сталь для холодной штамповки. В зависимости от степени деформации листа сталь делят на следующие группы: весьма глубо­кой вытяжки (ВГ), глубокой вытяжки (Г), нормальной вытяжки (Н). Для холодной штамповки применяют, например, сталь марки 08кп. В этой стали мало углерода (0,08 %) и кремния (==с 0,03 %), что является положительным, так как углерод и кремний снижают спо­собность стали к вытяжке. Штампуемость листовой стали ухудшается при наличии в ней крупного и неоднородного по размерам зерна.

Цементуемые (низкоуглеродистые) стали. Для изготовления де­талей небольших размеров, работающих на износ при малых нагруз­ках, когда прочность сердцевины не влияет на эксплуатационные свойства (втулки, валики, шпильки и др.), применяют углеродистые стали марок 15, 20. После цементации, закалки в воде и низкого отпуска поверхность стали имеет высокую твердость, а сердцевина не упрочняется.

Для тяжело нагруженных деталей, в которых необходимо иметь высокую твердость поверхностного слоя и достаточно прочную сердцевины, применяют легированные стали 20Х, 12Х2Н4А, 18ХГТ (зубчатые колеса, оси, поршневые пальцы)

Улучшаемые (среднеуглеродистые) стали. Эти стали называют улучшаемыми потому, что их обычно подвергают улучшению — за­калке в масле и высокому отпуску (550—650 °С) с получением струк­туры сорбита. Улучшаемые стали должны иметь высокую прочность, пластичность, высокий предел выносливости, хорошую прокаливаемость.

Пружинно-рессорные стали. Эти стали должны иметь особые свой­ства в связи с условиями работы пружин и рессор, которые служат для смягчения толчков и ударов, действующих на конструкции в про­цессе работы, и поэтому основным требованием, предъявляемым к пружинно-рессорным сталям, являются высокий предел упругости и выносливости.

Шарикоподшипниковые стали. Основной сталью является сталь ШХ15 (0,95 — 1,05 % С; 1,3 — 1,65 % Сг). Содержа­ние в ней углерода и хрома обеспечивает получение после закалки в масле высокой твердости, износостойкости, достаточной вязкости и необходимой прокаливаемости.

Автоматные стали. Эти стали содержат повышенное количество серы и фосфора, хорошо обрабатываются на металлорежущих станках, образуя короткую, ломкую стружку. Недостаток автоматных сталей—пониженная пластичность, поэтому их применяют для изготовления малоответственных деталей, от которых не требуется высоких механических свойств (крепежные детали, втулки и др.).

«Инструментальные стали»

В связи с различными условиями работы инструмента инструментальные стали по назначению делят на следующие группы: стали для режущих инструментов, измерительных инструментов, штамповые стали.

«Стали и сплавы с особыми свойствами»

1) Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы. При высокой температуре в условиях эксплуатации в среде нагретого воздуха в продуктах сгорания топлива происходит окисление стали (газовая коррозия). На поверхности сначала образуется тонкая пленка окислов, которая с течением времени увеличивается, и образуется окалина. Способность стали сопротивляться окислению при высоких температурах называется жаростойкостью (окалиностойкостью). Если окисная пленка пористая, окисление происходит интенсивно; если плотная, окисление замедляется или даже прекращается. Для получения плотной пленки сталь легируют хромом, кремнием и алюминием.

К жаропрочным относят стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течении определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью (детали котлов и турбин)

2) Коррозийно-стойкие (нержавеющие) стали.

3) Магнитные стали и сплавы. Делятся на магнитно – мягкие и магнитно – твердые. Магнитно – мягкие стали (электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы) применяют для сердечников, полюсных наконечников электромагнитов. Магнотно – твердые стали (высокоуглероистые и легированные стали) применяют для изготовления постоянных магнитов.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10



Скачать файл (3233 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации