Алитирование (Al)

Алитированием называется процесс насыщения поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (до850—900° С)   и   коррозионную стойкость в атмосфере и в ряде сред.

При алитировании в порошкообразных смесях чис­тые детали вместе со смесью упаковывают в железный ящик. В рабочую смесь входят: порошковый алюминий (25—50%) или ферроалюминий (50—75%), окись алю­миния (25—50%) и хлористый алюминий (~1,0%). Процесс осуществляется при температуре 900—1000°С в течение 3—12 ч.

Реже применяют алитирование в ваннах с расплав­ленным алюминием. Алитируемые детали погружают в расплавленный алюминий (92—94% А1 и 6—8% Fe). Железо добавляют для того, чтобы предотвратить рас­творение обрабатываемых деталей в алюминии. Процесс проводят при температурах 700—800°С в течение 45— 90 мин.

Алитирование в расплавленном алюминии отлича­ется от алитирования в порошкообразных смесях прос­тотой метода, быстротой и более низкими температура­ми. Основной недостаток процесса — налипание алюми­ния на поверхность деталей.

Иногда применяют металлизацию поверхности стали алюминием (напыление слоя алюминия на обрабатыва­емую поверхность) с последующим диффузионным от­жигом при температуре 900—1000°С в течение 1—3 ч.

Для предохранения алюминия от окисления во время диффузионного отжига изделие покрывают обмазкой, состоящей из серебристого графита (48%), кварцевого песка (30%), глины (20%), хлористого алюминия(2%) и 20—25% от массы первых четырех составляющих - жидкого стекла.

Алитирование стали металлизацией с последующим диффузионным отжигом в несколько раз дешевле, чем в порошках. Агитированный слой представляет собой твердый раствор алюминия в железе, концентрация алюминия в поверхностном слое достигает 30-40%.  Алитированию подвергают трубы, инструмент для литья цветных сплавов, чехлы термопар, детали газоге­нераторных машин и т. д.

Аморфное состояние металлов

При сверхвысоких скоростях охлажде­ния из жидкого состояния диффузионные процессы настолько за­медляются, что подавляется образова­ние зародышей и рост кристаллов. В этом случае при затвердевании обра­зуется аморфная структура. Материалы с такой структурой получили название аморфные сплавы или металлические стекла.

Аморфное состояние обеспечивает ме­таллическим материалам свойства, зна­чительно отличающиеся от свойств со­ответствующих материалов с кристал­лической структурой. Так, аморфные магнитомягкие материалы характери­зуются прямоугольной петлей гистере­зиса, высокой магнитной проницае­мостью и очень малой коэрцитивной силой. При этом магнитные свойства материала малочувствительны к меха­ническим воздействиям на него.  

Полу­чены аморфные материалы и с высокой магнитной энергией. Удельное электри­ческое сопротивление аморфных метал­лических материалов в 2 — 3 раза выше, чем у аналогичных сплавов с кристалли­ческой структурой. Аморфные металли­ческие материалы удачно сочетают вы­сокие прочность, твердость и износо­стойкость с хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью. Большое практическое значение имеет также и возможность получения аморфных металлов в виде ленты, проволоки диа­метром несколько микрометров непос­редственно при литье, минуя такие до­рогостоящие операции, как ковка, про­катка, волочение, промежуточные отжи­ги, зачистки, травление.

На рисунке показана связь ха­рактерных графиков изменения свобод­ной энергии возможных фаз при трех определенных температурах t1, t2, t3 с диаграммой состояния. При температуре t2 между точками а и b в термо­динамическом равновесии сосуще­ствуют две фазы: жидкий раствор со­става ха и твердый раствор состава xb. Значения свободных энергий этих рас­творов соответствуют точкам a' и b'. Для более точного построения линий ликвидус и солидус необходимо иметь несколько графиков для интервала тем­ператур между t1и t3.

Термодинамическое обоснование диаграммы состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком и твердом состояниях

Азотирование

Азотированием называется процесс насыщения поверхности стали азотом. Процесс осуществляется в среде аммиака при температуре 480—650° С. При этих температурах выделяется атомарный азот, который диффундирует в поверхностные слои детали.

Для азотирования применяют среднеуглеродистые легированные стали. При азотировании легированных сталей азот образу­ет с легирующими элементами устойчивые нитриды, ко­торые придают азотированному слою высокую твердость.

Перед азотированием детали подвергают термиче­ской обработке, состоящей из закалки и высокотемпературного отпуска. Затем производят механи­ческую обработку, придающую окончательные размеры изделию.

Участки, не подлежащие азотированию, защищают тонким слоем (0,001—0,015 мм) олова, нанесенным электролитическим методом, или жидким стеклом. В про­цессе азотирования олово расплавляется и благодаря поверхностному натяжению удерживается на поверхно­сти стали в виде тонкой непроницаемой для азота пленки. Продолжительность процесса зависит от толщины слоя. Обычно процесс азотирования ведут при температу­рах 500—520° С. В этом случае получают слои толщиной до 0,5 мм за 24—90 ч.

Для ускорения процесса азотирования применяют двухступенчатый цикл. Вначале азотирование ведут при 500—520°С, а затем температуру повышают до 580—600° С. Это ускоряет процесс в 1,5—2 раза при сохранении высокой твердости азотированного слоя.

В процессе азотирования изменяются размеры дета­лей за счет увеличения объема поверхностного слоя. Чем выше температура процесса и больше толщина азотиро­ванного слоя, тем больше изменение размеров деталей.

Для повышения коррозионной устойчивости изделий азотирование проводят при температуре 600—700°С в течение 15 мин. для мелких деталей и 6—10 ч. для круп­ных деталей.

Процесс жидкостного азотирования осу­ществляют при температуре 570°С в расплаве циансодержащих солей. В ходе процесса расплав непре­рывно продувается сухим и чистым воздухом, что обеспечивает превраще­ния цианида  в цианат, являю­щийся поставщиком атомов углерода и азота.

Преимуществом жидкостного азотирования является резкое сокраще­ние времени получения насыщенного слоя по сравнению с газовым азо­тированием (слой толщиной 0,10-0,20 мм получают за 1,5-3 ч). Кроме того, отсутствие водорода в среде способствует
повышению вязкости слоя. Недостатком процесса является применение ядо­витых солей.

Широкое применение получает ионное азо­тирование. По сравне­нию с газовым азотированием оно имеет ряд преимуществ: меньшую продолжительность   процесса,   более   высокое   качество азотированного слоя, пониженную хрупкость слоя.

Борирование (B)

Борированием называется насыщение стали бо­ром. Борирование проводят с целью повышения стой­кости против абразивного износа. Толщина борированных слоев не превышает 0,3 мм.

Широкое распространение получил метод электро­лизного борирования в расплавленных солях, содержа­щих бор. Деталь служит катодом в ванне с расплавлен­ной бурой. Температура процесса 900—950° С. Процесс можно вести и без электролиза в ваннах с рас­плавленными хлористыми солями,  в ко­торые добавляют порошкообразный ферробор или кар­бид бора.

Применяют также и метод газового борирования. В этом случае насыщение бором проводят в среде диборана  в смеси с водородом при температуре 850—900° С.

Борированию подвергают втулки грязевых нефтяных насосов, штамповый инструмент и т. д.

Бороволокниты

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя — борных волокон,

Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и моду­лем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей.

Помимо непрерывного борного волокна применяют комплекс­ные боростеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, придающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс изготовления материала.

В качестве матриц для получения бороволокнитов исполь­зуют модифицированные эпоксидные и полиамидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200°С; КМБ-3 и КМБ-Зк не требуют высокого давления при переработке и могут работать при темпе­ратуре не свыше 100 °С; КМБ-2к работоспособен при 300 °С.

Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями уста­лости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и кос­мической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрес­соров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.).

Цементация

Цементацией называется процесс насыщения по­верхностного слоя стальных изделий углеродом. Цемен­тация осуществляется с целью получения высокой твер­дости на поверхности изделия при сохранении вязкой сердцевины, она способствует повышению износостойко­сти и предела выносливости.

Цементации подвергают детали из низкоуглеродистых сталей (содержание углерода до 0,25%), работающие в условиях контактного износа и знакопеременных нагру­зок (втулки, поршневые пальцы, кулачки, колонки и т. д.).

Для цементации детали поступают после механиче­ской обработки с припуском на шлифование 0,05— 0,10 мм. Участки, не подлежащие цементации, защищают тонким слоем меди (0,02—0,04 мм), наносимым электро­литическим способом, или специальными обмазками, со­стоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле, и др.

Цементация осуществляется при температурах 900—950°С. Чем меньше углерода в стали, тем выше температура нагрева для цементация. При этих температурах атомарный углерод адсорбируется на по­верхности стали и диффундирует в глубь металла. В ре­зультате цементации содержание углерода в поверхност­ном слое составляет 0,8—1,0%. Более высокая концент­рация углерода способствует охрупчиванию цементован­ного слоя.

Цементованный слой имеет переменную концентра­цию углерода по толщине, которая уменьшает­ся от поверхности к сердцевине. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить три зоны: заэвтектоидную, состоя­щую из перлита и цементита вторичного; эвтектоидную, состоящую из перлита; доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита.

За толщину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины доэвтектоидной зон. Обычно толщина слоя для большинства стаей составляет 0,8—1,4 мм.

Различают два вида цементации: твердую и газовую. Среда, в которой проводят цементацию, называется карбюризатором.

Цементация в твердой среде

 Карбюриза­ тором является активированный древесный уголь (дубо­вый или березовый), а также каменноугольный полукокс и торфяной кокс. Для ускорения процесса к древесному углю добавляют активизаторы — углекислый барий, кальцинированную соду, поташ.

Подготовленные для цементации изделия укладыва­ют в металлический ящик. Предварительно в ящик насы­пают слой карбюризатора 20—30 см. Детали укладыва­ют слоями на расстоянии 10—15 мм друг от друга. Каждый слой деталей засыпают карбюризатором и на него укладывают следующий слой деталей и т. д. Послед­ний слой засыпают карбюризатором и ящик накрывают крышкой, края которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины с песком. Иногда вместо крышки кла­дут лист асбеста и сверху обмазывают глиной. После этого ящик помещают в печь с температурой 900—950°С.

В ящике между кусочками угля имеется воздух, кис­лород которого взаимодействует с углеродом карбюри­затора, образуя окись углерода СО. Соприкасаясь с по­верхностью деталей, окись углерода диссоциирует.





Выделившийся атомарный углерод диффундирует в глубь металла. Добавление углекислых солей активизи­рует процесс цементации.

Продолжительность выдержки в печи при температу­ре цементации зависит от требуемой толщины цементо­ванного слоя. На практике выдержка принимается из расчета роста слоя со скоростью 0,1 мм в час. Например, слой толщиной 1 мм получают за 9,5-10,4 ч.

Для контроля над протеканием процесса и толщины цементованного слоя в ящик вместе с деталями заклады­вают «свидетели» - образцы диа­метром 10—15 мм, изготовленные из той же марки стали, что и деталь. Во время цементации «свидетели» периоди­чески вынимают, ломают и по излому определяют тол­щину цементованного слоя.

Повышение температуры цементации до 950—1000° С позволяет значительно ускорить процесс, но такой режим применим для наследственно мелкозернистых сталей.

Ящики после цементации охлаждают на воздухе и по­том разбирают.


Участки изделия, не подлежащие цемен­тации, защищают, нанося гальваническое покрытие медью. После цементации детали подвергают нормализации для измельчения зерна, повторной закалке и низкотемпе­ратурному отпуску.

Структура сердцевины зависит от состава стали и ре­жима закалки. У углеродистых сталей она состоит из феррита и сорбита или троостита, а у легированных — из малоуглеродистого мартенсита.

Газовая цементация

В настоящее время газовая цементация является основным процессом це­ментации на заводах массового производства. При газо­вой цементации сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, можно обеспечить более полную механизацию и автоматизацию процесса, упрощается последующая термическая обра­ботка и, самое главное, можно получить заданную кон­центрацию углерода в слое.

Цементацию выполняют в шахтных, муфельных или безмуфельных печах непрерывного действия. При цементации в шахтных печах для получения науглероживающей атмосферы применяют метан, керосин, синтин, бензол и т. д.  В печах непрерывного действия чаще используют ме­тан. Для получения заданной концентрации углерода (обычно 0,8%) применяют атмосферы с регулируемым потенциалом углерода.

Под углеродным потенциалом атмосферы понимают определенную концентрацию углерода на поверхности цементованного слоя. Для ускорения процесса углерод­ный потенциал атмосферы в печи меняют по зонам. Вначале его поддерживают высоким, обеспечивающим полу­чение в поверхностном слое концентрации углерода 1,3— 1,4%, а затем его снижают для получения в этом слое оптимального содержания углерода (0,8%).

С этой целью в первую зону, занимающую примерно 2/3 длины печи, подают газ, состоящий из смеси природ­ного (10—15%) и эндотермического (90—85%) газов. Во вторую зону подают только эндотермический газ, на­ходящийся в равновесии с заданной концентрацией угле­рода (0,8%) на поверхности. При этом за счет диффузии углерода в глубь металла и взаимодействия поверхности детали с эндотермической атмосферой концентрация уг­лерода на поверхности уменьшается и происходит более равномерное его распределение по толщине цементован­ного слоя.

После газовой цементации применяют закалку (для наследственно мелкозернистых сталей) непосредственно из цементационной печи, предварительно сделав подстуживание до температуры 850—830°С. Заключительной операцией является низкотемпературный отпуск при тем­пературе 160—180° С.

Центробежное литье

Сущность процесса литья центробежным способом заключается в том, что заполнение формы жидким сплавом и кристаллизация его происходит под воздействием центробежных сил. Центробежным способом получают отливки, имеющие не только форму тел вращения, но и другие фасонные отливки.

Детали, имеющие форму тел вращения, например втулки, вкладыши подшипников, венцы, червячные колеса, барабаны и др., отливают на цен­тробежных машинах с вертикальной или с горизонтальной осью вращения.

Литье центробежным способом цветных сплавов широко распростра­нено. Объясняется это тем, что, наряду с повышением качества литья, значительно снижается расход цен­ных цветных металлов, уменьшается брак и снижается стоимость отливок.

Одним из преимуществ литья тяжелых цветных сплавов центробежным способом является то, что под действием центробежной силы неметалли­ческие включения, как более легкие, вытесняются на внутреннюю (свобод­ную) поверхность, откуда легко удаляются механической обработкой. Скорость вращения формы связана с температурным интервалом кри­сталлизации заливаемого сплава. Чем больше интервал кристаллизации, тем больше должна быть скорость вращения формы.

Цианирование и нитроцементация

Цианированием называется процесс одновремен­ного насыщения поверхности деталей углеродом и азо­том.

На состав и свойства цианированного слоя особое влияние оказывает температура процесса. Повышение температуры цианирования ведет к увеличению содержа­ния углерода в слое, снижение температуры — к увеличе­нию содержания азота. Толщина цианированного слоя также зависит от температуры и продолжительности процесса.

Различают жидкое и газовое цианирование. Газовое цианирование еще называют нитроцементацией. Жидкое цианирование проводят в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий.

Цианирование при температурах 820—850°С позволя­ет осуществлять закалку непосредственно из ванны. Пос­ле закалки следует низкотемпературный отпуск.

Цианирование при температурах 820—850°С позво­ляет получать слои толщиной 0,15-0,35 мм за 30-90 мин. Для получения слоев большой толщины (0,5-2,0 мм) применяют глубокое цианирование при темпера­турах 900-950° С, длительность 1,5-6,0 ч. Глубокое цианирование имеет ряд преимуществ по сравнению с це­ментацией: меньше продолжительность процесса для по­лучения слоя заданной толщины; меньше деформация и коробление; более высокое сопротивление износу и по­вышенная усталостная прочность.

После цианирования деталь охлаждают на воздухе, повторно нагревают для закалки и проводят низкотемпе­ратурный отпуск. Такая обработка необходима в связи с тем, что при температурах цианирования (900—950° С) сильно вырастает зерно аустенита и необходим повтор­ный нагрев для его измельчения. Структура цианирован­ного слоя после закалки такая же, как после цементации.

Недостатком цианирования является ядовитость циа­нистых солей. Поэтому цианирование проводят в специально выделенных помещениях с соблюдением мер предосторожности.

Нитроцементацию осуществляют при температурах 840—860°С в газовой смеси из науглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса зависит от глу­бины насыщаемого слоя и составляет 1 —10 ч. Толщина слоя колеблется от 0,1 до 1,0 мм.

После нитроцементации изделия подвергают закалке и низкотемпературному отпуску при температуре 160— 180° С.

Низкотемпературное цианирование осуществляется при температурах 540—560°С в расплавленных циани­стых слоях. Низкотемпературному цианированию подвергают инструмент из быстрорежущих сталей для повышения его стойкости при резании. В результате такой обработки об­разуется нитроцементованный слой толщиной 0,02—0,04 мм. Длительность процес­са 1 —1,5 ч.

Диаграмма растяжения

При действии на тело внешней растягивающей силы оно растягивается, и этот процесс отражается на диаграмме растяжения.

Различают относительное и абсолютное удлинение:

 

1. Относительное

 

2. Абсолютное

 

            При этом материал испытывает механическое напряжение

Связь абсолютного удлинения и механического

 

удлинения отражается в законе Гука                               или 

где k – коэффициент податливости,

 - коэффициент упругости (модуль Юнга)

 

Зона ОА носит название зоны упругости (

). Здесь материал под­чиняется закону Гука. На   рисунке   этот   участок  для большей наглядности показан с отступлением от масштаба. Удли­нения на  участке ОА  очень малы, и прямая ОА, будучи вы­черченной в масштабе, совпадала с осью ординат. Величина силы, для которой остается справедли­вым закон Гука, зависит от размеров образца и физических свойств материала. Для высококачественных   сталей   эта   величина имеет большее значение. Для таких металлов, как медь, алюминий, сви­нец,   она  оказывается  в  несколько  раз  меньшей.

Зона АВ называется зоной общей текучести, а участок АВ диаграммы — площадкой текучести. Здесь происходит существен­ное изменение длины образца без заметного увеличения нагрузки. Наличие площадки текучести для металлов не является харак­терным. В большинстве случаев при испытании на растяжение и сжатие площадка АВ не обнаруживается.

 

Зона ВС называется зоной упрочнения. Здесь удлинение образца сопровождается возрастанием нагрузки, но неизмеримо более мед­ленным (в сотни раз), чем на упругом участке. В стадии упрочнения на образце намечается место будущего разрыва и начинает образо­вываться так называемая шейка — местное сужение образца.

По мере растяжения об­разца утонение шейки прогрессирует.
Когда от­носительное уменьшение площади сечения срав­няется с относительным возрастанием напряже­ния, сила достигнет максимума. В дальнейшем удлинение образца происходит с уменьшением силы, хотя среднее напряжение в поперечном сечении шей­ки и возрастает. Удлинение образца носит в этом случае местный характер, и поэтому участок кривой CD называется зоной местной текучести. Точка D соответствует разрушению образца. У многих материалов разрушение происходит без заметного образования шейки.

Если испытуемый образец, не доводя до разрушения, разгру­зить, то в процессе разгрузки зависимость между силой и удлинением изобразится прямой KL. Опыт показывает, что эта прямая параллельна прямой ОА. При разгрузке удлинение полностью не исчезает. Оно уменьшается на величину упругой части удлинения (отрезок LM). Отрезок OL представляет собой остаточное удлинение. Его называют также пластическим удлинением, а соответствующую ему деформацию — пластической деформацией. При повторном нагружении образца диаграмма растяжения при­нимает вид прямой LK и далее — кривой KCD, как будто промежуточной разгрузки и не было.

Чтобы дать количественную оценку описанным выше свойствам материала, перестроим диаграмму растяжения в коорди­натах ? и ?. Эта диаграмма имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, но будет характеризовать уже не свойства образца, а свойства материала. Отметим на диаграм­ме характерные точки и дадим определение соответствующих им число­вых величин. Наибольшее напряже­ние, до которого матери­ал следует закону Гука, называется пределом про­порциональности ?п. Величина предела пропорциональности за­висит от той степени точности, с которой начальный участок диаграммы можно рассмат­ривать как прямую.

Упругие свойства материала сохраняются до напряжения, на­зываемого пределом упругости. Под пределом упругости ?у пони­мается такое наибольшее напряжение, до которого материал не получает остаточных деформаций.Для того чтобы найти предел упругости, необходимо после каждой дополнительной нагрузки образец разгружать и следить, не образовалась ли остаточная деформация. Так как пластиче­ские деформации в отдельных кристаллах появляются уже в самой ранней стадии нагружения, ясно, что величина предела упругости, как и предела пропорциональности, зависит от требований точно­сти, которые накладываются на производимые замеры.

Следующей   характеристикой   является предел текучести. Под пределом текучести понимается то напря­жение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки. Предел текучести легко поддается определению и является одной из основных механических характеристик материала.

Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения носит назва­ние предела прочности, или временного сопротивления, и обознача­ется через ?вр.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Среди диаграмм состояния металли­ческих сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы железо-углерод. Это объясняется тем, что в технике наиболее широко приме­няют железоуглеродистые сплавы.

Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе железо-карбид железа (це­ментит), и стабильная, характеризую­щая превращение в системе железо - графит.

На то, что система железо - графит является более стабильной, чем система железо-цементит, указывает тот факт, что при нагреве до высоких температур цементит распадается на железо и гра­фит, т. е. переходит в более стабильное состояние.

Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом

Железо и углерод — эле­менты полиморфные. Железо с температурой плавления 1539°С имеет две модификации - ? и ?. Модификация Fe?, существует при тем­пературах до 911°С и от 1392 до 1539°С, имеет ОЦК решетку с пери­одом 0,286 нм. Важной особенностью Fe? является его ферромагнетизм ниже тем­пературы 768 С, называемой точкой Кюри.

Модификация Fe? существует в интер­вале температур от 911 до 1392°С и имеет ГЦК решетку, период которой при 911°С равен 0,364 им. ГЦК решет­ка более компактна, чем ОЦК решетка. В связи с этим при переходе Fe? в Fe? объем железа уменьшается приблизи­тельно на 1%.

Углерод существует в двух модифика­циях: графита и алмаза. При нор­мальных условиях стабилен графит, ал­маз представляет собой его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз.

Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

Феррит (обозначают Ф) - твердый раствор внедрения углерода в Fe?. Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в низко­температурном феррите мала и составляет 0,02%, в высокотемпературном-0,1%. Столь низкая растворимость углерода в Fe? обусловлена малым размером межатомных пор


в ОЦК решетке. Значительная доля ато­мов углерода вынуждена размещаться
в дефектах.

Аустенит (обозначают А) - твердый раствор внедрения углерода в Fe?. Он имеет ГЦК решетку, межа­томные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке, поэтому раствори­мость углерода в Fe? значительно боль­ше и достигает 2,14%. Аустенит пласти­чен, но прочнее феррита (НВ 1600-2000) при температуре 20-25 °С.

Цементит (обозначают Ц) - карбид железа  Fe3C. Содержит 6,69 %С и имеет сложную ром­бическую решетку. При нормальных ус­ловиях цементит тверд (НВ 8000) и хру­пок. Он слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при температуре 210°С. Температуру плавления цементита труд­но определить в связи с его распадом при нагреве. Она установлена равной 1260°С при нагреве лазерным лучом.

Графит - углерод,         выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свобод­ном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопро­чен, мягок.

Диффузионная металлизация

Диффузионная металлизация - это про­цесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. Она может осуществлять­ся в твердых, жидких и газообразных средах.

При диффузионной металлизации в твердых средах применяют порошкообразные смеси, состоящие обычно из ферросплавов с добавлением хлористого аммония.

Жидкая диффузионная металлизация осуществляет­ся погружением детали в расплавленный металл (например, цинк, алюминий).

При газовом способе насыщения применяют летучие хлористые соединения металлов, образующиеся при взаимодействии хлора с ме­таллами при высоких температурах. Хлориды диссоциируют на поверхности железа и вы­деляющийся в атомарном состоянии металл диффунди­рует в железо.

Диффузия металлов в железе идет значительно мед­леннее, чем углерода и азота, потому что углерод и азот образуют с железом твердые растворы внедрения, а ме­таллы - твердые растворы замещения. Это приводит к тому, что диффузионные слои при металлизации полу­чаются в десятки раз более тонкими. Поверхностное насыщение стали металлами прово­дится при температурах 900—1200° С.

Диффузионный отжиг (гомогенизация)

В реальных условиях охлаждения рас­плава кристаллизация твердых раство­ров чаще всего протекает неравновесно: диффузионные процессы, необходимые для выравнивания концентрации расту­щих кристаллов по объему, отстают от процесса кристаллизации. В результате сохраняется неоднородность состава по объему кристалла - внутрикристаллическая ликвация: сердцевина кристаллов обогащена тугоплавким компонентом сплава, а наружные части кристаллов обогащены компонентом, понижающим температуру плавления.

Диффузионным отжигом называют длительную выдержку сплавов при вы­соких температурах, в результате кото­рой уменьшается ликвационная неодно­родность твердого раствора. При высо­кой температуре протекают диффу­зионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллиза­ции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диоды

В пластине полупроводника, на границе между двумя слоями с различного рода электропроводностями, образуется электронно-дырочный переход, называе­мый также           p-n-переходом или запирающим слоем. Этот слой обладает вентиль­ными свойствами, т. е. односторонней проводимостью. Это явление можно пояс­нить следующими положениями. Концентрация электронов в n-области во много раз больше, чем их концентрация в                p-области, где они служат неосновными носи­телями заряда. Вследствие этого электроны диффундируют в область их низкой концентрации — p-область. Здесь они рекомбинируют с дырками акцепторов и таким путем образуют пространственный (объемный) отрицательный заряд ионизированных атомов акцепторов, не скомпенсированный положительным за­рядом дырок — основных носителей заряда в этой области.

Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. Здесь создается нескомпенсированный зарядом электронов пространственный положительный заряд ионов доноров. Таким путем между двумя областями полупроводника возникает двойной слой пространственного заряда, обедненный основными носи­телями заряда. Из-за наличия пространственных зарядов возникает перепад электрического потенциала между p- и            n-областями. Его называют потенциаль­ным барьером, а его величину — высотой потенциального барьера.

Электронно-дырочный переход нельзя получить, наложив одну на другую пластины, изготовленные из полупроводников с различной примесной проводи­мостью, так как между пластинами неизбежно наличие поверхностных пленок или очень тонкого слоя воздуха. Такой переход создается лишь посредством образования областей с различными электропроводностями в одной пластине полупроводника. Такой двухслойный полупроводниковый прибор с p-n-переходом называется полупроводниковым диодом.

Если положительный полюс источника электроэнергии соединен с p-областью полупроводникового диода, а отрицательный — с n-областью, то электрическое поле источника ослабляет до малой величины действие пространственных заря­дов — снижает   потенциальный   барьер диода,   вследствие чего резко возрастает диффузия и вместе с ней ток через p-n-переход.   Такое   включение   полупроводникового   диода называется прямым.

При обратном включении полупровод­никового диода, когда с p-областью соединен минус источ­ника напряжения, а с n-областью — плюс этого источника, внешнее поле усиливает поле пространственных зарядов и удаляет  носители  заряда  с обеих сторон  перехода.  Через p-n-переход создается  в этом случае лишь весьма  малый ток,  обусловленный  движением   неосновных  носителей  за­ряда. Но из-за этого тока обратное сопротивление полупроводникового диода является конечной величиной.

Для стали и чугуна F = 3000 кгс

            Для сплава меди, никеля, алюминия          F = 1000 кгс

            Для мягких сплавов                                      F = 250 кгс

Дополнительные компоненты полимерных композиций

Полимерные материалы: пластические массы, пленки и во­локна, лаки, компаунды, клеи, герметики, резины и т. д. редко состоят из одного полимера. Для улучшения их функциональных качеств они представляют собою обычно композиции из различ­ных полимерных и неполимерных материалов, модифицирующих их свойства.

Чаще всего такими дополнительными компонентами, содер­жащимися во многих полимерных материалах, являются: стаби­лизаторы, наполнители, пластификаторы, мягчители и смазки, красители, растворители, другие модификаторы (отверждающие агенты, присадки, сообщающие негорючесть, повышенную нагревостойкость и т. п.).

Стабилизаторами называются вещества, добавляемые в большинство полимерных материалов (в количестве порядка десятых долей процента) для предотвращения реакций ста­рения.

Наполнители — это частицы различных материалов, добав­ляемые во многие полимерные композиции для сообщения им специальных свойств (повышения прочности, сообщения магнит­ных свойств, электропроводности, снижения звуко- и теплопро­водности и т. д.) или для их удешевления. Наполнители могут быть газообразными, жидкими и твердыми. Чаще всего их применяют в виде газообразных или твердых включений в полимерную основу.

Порошковые наполнители - древесная мука, окислы (ZnO, Ti02, SiO2), мел, каолин и другие. Они мало препятствуют растеканию пресспорошка в пресс-формах и позволяют получить дешевые изделия сложной конфигурации.

Волокнистые наполнители - хлопчатобумажное, стеклянное, борное волокно, обрезки бумаги и ткани позволяют получать материалы в два и более раза прочнее, чем при порошковых наполнителях.

Особенно высока прочность пластмасс (композиционных ма­териалов) при применении в качестве наполнителей слоистых материалов ткани, шпона или стеклянных, длинных тонких во­локон; волокон бора, графитовых нитей и т. п., уложенных оп­тимальным образом по отношению к действующим нагрузкам. Такие композиционные материалы обладают максимальной удельной прочностью, что значительно выше, чем у многих металлических материалов.
Из них готовят напря­женные элементы самолетов и двигателей (корпусы, роторы и лопатки компрессоров, обшивку самолетов и т. д.).

Наполнение резин сажей или металлическими частицами придает им проводящие, а магнитными (например, феррита­ми) — магнитные свойства.

Наполнение газами достигается вспениванием в процессе получения полимеров, введением твердых частиц — порофоров, выделяющих газы при нагреве в размягченный полимер. Иногда вспенивания достигают введением в полимер легкокипящих жидкостей.

Пластификаторы - вещества, добавляемые в полимерные материалы для повышения эластичности и морозостойкости (снижения хрупкости), а также для снижения температуры переработки материалов в изделия. В некоторых случаях, на­пример для эфиров целлюлозы, такая переработка горячим прессованием вообще была бы невозможна, ибо температура разложения непластифицированных продуктов лежит ниже их температуры размягчения.

Смазки, часто вводимые в состав различных полимерных композиций, способствуют отлипу деталей металлического обо­рудования, применяемого при переработке полимерной компо­зиции в изделия. В качестве смазок используют стеарин, стеараты, парафин и другие легкоплавкие вещества.

Красители вводят в полимерные материалы для придания им красивого декоративного вида или в маркировочных целях. Растворимые в полимере красители нередко называются кра­ской, нерастворимые - пигментами.

Другие присадки. В полимерных материалах могут содер­жаться и другие, кроме перечисленных, присадки, придающие материалам специальные качества.

Так, для уменьшения горючести композиций на основе горю­чих полимеров в них вводят 10—20% антипиренов — фосфорно­кислый аммоний, трехокись сурьмы, хлорированный парафин или перхлорвинил и т. п.

Для придания полимерным материалам антисептических свойств и стойкости против действия грибковой плесени и разру­шающего действия насекомых к ним добавляют антисептики, фунгициды и инсектоциды. В качестве таких веществ нередко служат соли ртути и меди, а также другие ядовитые вещества.Эти присадки особенно часто добавляют в краски, изоляцию проводов и другие полимерные материалы,   предназначенные   для работы в тропическом климате.

Фотодиоды

Фотодиод, как и фотоэлемент с запирающим слоем, представляет собой p-n-переход, включенный в цепь в запорном направлении, последовательно с внешним источником питания. При отсутствии светового потока через фотодиод протекает незначительный так называемый темповой ток. При освещении p-n-перехода вследствие генерации избыточных носителей обратный ток увеличивается пропорционально потокe, вызывая увеличение падения напряжения на нагрузочном сопро­тивлении. От фотоэлементов с внешним фотоэффектом фотодиоды выгодно отличаются малыми габаритами и весом, высокой интеграль­ной чувствительностью и небольшим рабочим напряжением.

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим яв­лением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области р-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Электрическое поле р-n-перехода разделяет электроны и дырки. Неосновные носители электричества, для кото­рых поле является ускоряющим, выводятся этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем в сво­ей области проводимости.

Упрощенная структура фотодиода и его ус­ловное графическое обозначение

Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения между анодом и катодом при разомкнутой цепи.

Фотодиоды удобно ха­рактеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк).

Обратимся к вольт-амперным характеристикам (ВАХ) фотодиода. Пусть вначале световой поток ра­вен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область р-n-перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электри­ческого поля р-n-перехода носители электрода движутся к электродам. В результате между электродами воз­никает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребля­ет, а вырабатывает энергию.

В настоящее время коэффициент полезно­го действия солнечных элементов достигает 20%. Пока энергия, вырабатываемая солнечными элементами, при­мерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, не­фти или урана. Но ожидается, что стоимость энергии, получаемой с помощью солнечных батарей, будет сни­жаться.

Фотодиоды являются более быстродействующими при­борами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 107—1010 Гц. Фотодиод часто используется в оптопарах светодиод-фотодиод.

Фотоэлементы с p-n-переходом

При освещении p-n-перехода в нем возникает э. д. с. Это явление исполь­зуется в фотоэлементах с запирающим слоем, которые могут служить индикаторами лучистой энергии, не требующими внешнего питания, и преобразователями этой энергии в электрическую энергию.

Из p-полупроводника методом диффузии изготовляют тон­кий слой, обладающий        n-проводимостью. Между этим слоем и p-полупроводником образуется p-n-переход. При отсутствии света переход находится в равновесном состоянии и в нем устанавливается равно­весный потенциальный барьер. При облучении перехода в p-области генерируются электронно-дырочные пары. Электроны, образовавшиеся в p-области, диффундируют к       p-n-переходу и, подхватываясь контактным полем, перебрасываются в n-область. Дырки же преодолеть барьер не могут и остаются в p-области. Поэтому p-область заряжается положительно, n-область — отрица­тельно и в p-n-переходе появляется дополнительная разность потен­циалов, приложенная в прямом направлении. Ее называют фотоэлектродвижущей силой.

Принципиальная схема фотоэлемента (КПД ~15%)

 

Фоторезисторы

Фоторезистором называют полупроводниковый рези­стор, сопротивление которого чувствительно к электро­магнитному излучению в оптическом диапазоне спектра.

Схематическое изображение структуры фоторези­стора и его условное графическое обозначение

Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон-дырка, увеличивающих проводи­мость (уменьшающих сопротивление). Это явление называют внутренним фотоэффектом (эффектом фотопроводимости).

Фоторезисторы часто характеризуются зависимостью тока от освещенности при заданном напряжении на резисторе. Это так называемая люкс-амперная характери­стика.

 

Люкс-амперная характери­стика фоторезистора

 

Графит

Графит является одной из аллотропических разновид­ностей углерода. Это полимерный материал кристаллического пластинчатого строения. Он образован параллельными слоями гексагональных сеток.

Кристаллическая решет­ка графита

В узлах каждой ячейки располагаются атомы углерода. Межатомное расстояние равно 0,143 нм. Между атомами действуют силы прочной ковалентной связи. Отдельные плоскости расположены на расстоянии 0,335 нм и связаны между собой ван-дер-ваальсовыми силами. Слоистая структура графита и слабая связь между соседними плоскостями обусловливают анизотропию всех свойств кристаллов графита во взаимно перпендикулярных направлениях. Между отдельными пластинками в решетке графита имеются свободные электроны, сообщающие графиту электро- и теплопроводность, металлический блеск.

Графит не плавится при атмосферном давлении, а при 3700°С сублимирует, минуя стадию плавления, с затратой значительной тепловой энергии на этот процесс.

Графит встречается в природе, а также получается искусствен­ным путем. Качества природного графита невысоки, он содержит много примесей, порист, свойства почти изотропны. Поэтому его при­меняют лишь как антифрикцион­ный материал и в электротехнике. Искусственные виды графита: технический и пиролитический. Эти виды графита обла­дают совершенной кристалличе­ской структурой, высокой анизо­тропией свойств и являются вы­сокотемпературными конструкци­онными материалами.

В качестве исходных материа­лов при производстве технического графита применяют твердое сы­рье — нефтяной кокс и каменноугольный пек в качестве связующего вещества. Заготовки форму­ются в процессе прессования или протяжки. Процесс графитизации осуществляется путем нагрева заготовок (обожженных при 1200°С) до 3000 С. Технический графит имеет степень анизотропии физико-механических свойств 3:1.

Паралитический графит получается из газообразного сырья. Он представляет собой продукт пиролиза углеводородов (метана), который осаждается на нагретых до 1000-2500 °С поверхностях формы из технического графита или керамики.
Полученный пирографит можно отделить от подложки и получить деталь или нано­сить его в виде покрытия на различные материалы с целью защиты их от действия высоких температур. Пирографит характеризуется степенью анизотропии, равной 100 (и более) : 1.

Для повышения качества технического графита применяется рекристаллизация при обжатии под давлением до 50 МП а и темпе­ратуре свыше 2500°С, этим повышаются плотность и прочность графита.

Физико-механические свойства искусственного графита. Свойства графита зависят от природы исходного сырья, технологии получения, плотности, степени ориентации кристаллов и др.

Графит легко расщепляется по плоскости спайности. Твердость его небольшая. Плотность пористого графита составляет 200— 1200 кг/м3, конструкционного — 1500—1850 кг/м3, пирографита 960—2200 кг/м3. (Теоретическая плотность графита 2265 кг/м8.) По­ристость может составлять 80 % и более.

Графит является очень хрупким ма­териалом. Его прочность при сжа­тии выше, чем при изгибе и растяже­нии. Для графита характерно увели­чение прочности и модуля упругости при нагреве. До температуры 2200— 2400°С прочность технического гра­фита повышается на 40—60 % и лишь при дальнейшем нагреве прочность теряется. При температуре выше     1700°С проявляется ползучесть, которая имеет небольшую скорость при 2300—2900°С и напряжении 30—10 МПа. Графит хорошо проводит теплоту, поэтому его можно использовать и как проводник теплоты, и как теплоизолятор. Графит устойчив к воздействию тепловых ударов. Сочетание особых свойств графита делает его перспективным материалом высокой жаропрочности и тепло­защитным материалом.

В условиях применения графита при высоких температурах, когда теплоотдача излучением является решающим фактором теплообмена, большое значение имеет степень черноты поверх­ности материала. Степень черноты графитовых материалов состав­ляет 0,7—0,9, она возрастает при нагреве и шероховатости поверх­ности.

Графит обладает хорошими антифрикционными свойствами (f = 0,28), поэтому он применяется в качестве антифрикционных материалов, основным преимуществом которых является способ­ность работать без смазывания в условиях высоких или низких температур, больших скоростей, агрессивных сред и т.п.

Недостатком графита является склонность его к окислению, начиная с температур 400—800°С, с выделением газообразных продуктов. Поэтому поверхность графита защищают введением легирующих добавок (Nb, Та, Si), которые делают структуру графита мелкозернистой, повышают его твердость и прочность, или нанесением защитных покрытий. Применяют силицирование графита путем обработки его поверхности парами кремнезема (при этом на поверхности графита образуется карбид кремния, обладающий высокой твердостью и прочностью) или нанесением покрытия из керамики.

Графит применяют в высоконагреваемых конструкциях лета­тельных аппаратов и их двигателей, в энергетических ядерных реакторах, в качестве антифрикцион­ного материала и в виде углеграфитовых волокнистых изделий.

Холодная и горячая деформации

Деформирование металлов подразде­ляют на холодное и горячее в зависимо­сти от температуры. Холодное дефор­мирование проводят ниже температуры рекристаллизации, металл наклепывает­ся и сохраняет наклеп. Горячее дефор­мирование приводят выше температуры рекристаллизации, когда получаемый наклеп снимается одновременно протекающей рекристаллизацией. Если рекри­сталлизация не устраняет наклеп, то он сохраняется частично или полностью. Это достигается при особых условиях обработки и охлаждения металла. На­пример, горячее деформирование с вы­сокими скоростями и большими дефор­мациями с дальнейшим быстрым охла­ждением металла ниже температуры рекристаллизации сохраняет наклеп.

Хромирование (Cr)

Хромирование (поверхностное насыщение хро­мом) проводят для повышения коррозионной стойкости, кислостостойкости, окалиностойкости (до 850° С) и т. д. Хромирование средне- и высокоуглеродистых сталей по­вышает твердость и износостойкость.

Хромирование чаще всего проводят в порошкообраз­ных смесях (50% металлического хрома или феррохро­ма, 49% окиси алюминия и 1% хлористого аммония). Процесс осуществляется при температуре 1000—1050°С. Диффузионный слой, получаемый при хромировании уг­леродистых сталей, состоит из карбидов хрома. Толщина хромированного слоя достигает 0,15—0,20 мм при длительности процес­са 6—15 ч. Чем больше углерода в стали, тем меньше толщина слоя.

Значительно реже применяется газовое хромирова­ние. Процесс проводят в среде, содержащей пары CrCl2. Пары CrCl2 получают пропусканием осушенных Н2 и НС1 через феррохром или хром при температуре 980°С. За 3-5 ч получают слой толщиной 0,06-0,10 мм.

Иногда применяют хромирование в вакууме. Изде­лия засыпают кусочками (диаметром 1—3 мм) хрома в стальном или керамическом тигле и помещают в ваку­умную печь. При высокой температуре (960—1000° С) хром испаряется и диффундирует в сталь.

Хромирование применяют для пароводяной армату­ры, клапанов, вентилей, а также деталей, работающих в агрессивных средах.

Износостойкость в больше,чем при шлифовке. Для коленчатых валов предел выносливости повышается на .

Эффект Холла

Предположим, что по пластине проводника, имею­щей ширину a и толщину b, течет ток плотностью i. Выбе­рем на боковых сторонах пластины точки C и D, разность потенциалов между которыми равна нулю. Если эту пластину поместить в магнит­ное поле с индукцией B, то между точками C и D возникает разность потенциалов VХ, называемая э. д. с. Холла. В не слишком сильных полях

Vx = rh Bai

Коэффициент пропорциональности rh называют постоянной Холла. Она имеет размерность L3/Q (L — длина, Q — электрический заряд) и измеряется в кубических метрах на кулон, (м3/Кл). Рассмотрим физическую природу эффекта  Холла.

На электрон, движущийся справа налево со скоростью v, действует сила Лоренца Fл: Fл = qvB

Под действием силы Лоренца электроны отклоняются к внешней грани пластины, заряжая ее отрицательно. На противоположной грани накапливаются нескомненсированные положительные заряды. Это приводит к возникновению электрического поля, направленного от C к D. Поле EХ действует на электроны с силой f = qEx, направленной против силы Лоренца. При f — Fл поперечное электрическое поле уравновешивает силу Лоренца и дальнейшее накопление электрических зарядов на боковых гранях пластины прекращается.

Эффект Холла получил наи­более широкое практическое применение из  всех гальваномагнитных явлений. По­мимо исследования электрических свойств материалов он послужил основой для устройства большого класса приборов: магнитометров, преобразователей постоянного тока в переменный и переменного в по­стоянный, усилителей постоянного и переменного тока, генерато­ров сигналов переменного тока, фазометров, микрофонов и т. д.

Карбоволокниты

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой ком­позиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и уп­рочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).

Высокая энергия связи С—С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200°С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна пре­дохраняют защитными покрытиями. В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются свя­зующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6—2,5 раза.

Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динами­ческим сопротивлением усталости, сохраняют это свой­ство при нормальной и очень низкой температуре (высокая тепло­проводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- к химически стойкие.

Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклян­ные волокна, что удешевляет материал.

Карбоволокниты с углеродной матрицей. Коксованные мате­риалы получают из обычных полимерных карбоволокнитов, под­вергнутых пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере. При температуре 800—1500°С образуются карбонизированные, при 2500—3000°С графитированные карбоволокниты. Для полу­чения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь, в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенном режиме (температуре 1100°С и остаточном давлении 2660 Па) метан раз­лагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их.

Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет вы­сокую прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал обладает высокими меха­ническими и абляционными свойствами, стойкостью к термиче­скому удару.

Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по зна­чениям прочности и ударной вязкости в 5—10 раз превосходит специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере и ваку­уме он сохраняет прочность до 2200°С, на воздухе окисляется при 450 °С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35—0,45), а износ мал (0,7—1 мкм на торможение).

Полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомоби­лестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппара­туры для химической промышленности, в рентгеновском обору­довании и др.

Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

Керамика

Керамика — неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высокотемператур­ного обжига. В результате обжига (1200—2500°С) формируется структура материала (спекание), и изделие приобретает необходи­мые физико-механические свойства.

Техническая керамика включает искусственно синтезирован­ные керамические материалы различного химического и фазового состава; она обладает специфическими комплексами свойств. Такая керамика содержит минимальное количество или совсем не содержит глины. Основными компонентами технической керамики являются оксиды и бескислородные соединения металлов. Любой керамический материал является многофазной системой. В кера­мике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газо­вая фазы.

Кристаллическая фаза представляет собой определенные хи­мические соединения или твердые растворы. Эта фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств.

Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычно керамика содержит 1—10 % стеклофазы, которая снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели. Однако стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.

Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики; по этой фазе керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие даже закрытых пор нежела­тельно, так как снижается механическая прочность материала.

Большинство видов специальной технической керамики обла­дает плотной спекшейся структурой поликристаллического Строе­ния, для ее получения применяют специфические технологические приемы.

Керамика на основе чистых оксидов

В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: А12О3 (ко­рунд), ZrO2, AlgO, CaO, BeO. Структура керамики однофазная поликристаллическая. Кроме кристаллической фазы может содержаться небольшое количество газов (поры) и стекло­видной фазы, которая образуется в результате наличия примесей в исходных материалах.
Температура плавления чистых оксидов превышает 2000 °С, поэтому их относят к классу высокоогнеупоров. Как и для других неорганических материалов, оксидная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с проч­ностью при растяжении или изгибе; более прочными являются мелкокристаллические структуры, так как при крупнокристалли­ческом строении на границе между кристаллами возникают значи­тельные внутренние напряжения.

С повышением температуры прочность керамики понижается. При использовании материалов в области высоких температур важным свойством является окисляемость. Керамика из чистых оксидов, как правило, не подвержена процессу окисле­ния.

Керамика на основе А12О3 (корундовая) обладает высокой проч­ностью, которая сохраняется при высоких температурах, хими­чески стойка, отличный диэлектрик. Термическая стойкость корунда невысокая. Изделия из него широко применяют во многих областях техники: резцы, используемые при больших скоростях резания, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвей­еров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Керамику с плотной структурой используют в качестве вакуумной, пористую — как термоизоляционный материал. В ко­рундовых тиглях проводят плавление различных металлов, оксидов, шлаков. Корундовый материал микролит по свой­ствам превосходит другие инструментальные материалы.

Особенностью оксида циркония (ZrO2) является слабокислотная или инертная природа, низкий коэффициент теплопроводности. Рекомендуемые температуры применения керамики из ZrO2 2000— 2200°С; она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве покрытия на металлах для защиты последних от действия температур.

Керамика на основе оксидов магния и кальция стойка к действию основных шлаков различных металлов, в том числе и щелочных. Термическая стойкость их низкая.


Оксид магния при высоких температурах летуч, оксид кальция способен к гидратации даже на воздухе. Их применяют для изготовления тиглей, кроме того, MgO используют для футеровки печей, пирометрической аппара­туры и т. д.

Керамика на основе оксида бериллия отличается высокой тепло­проводностью, что сообщает ей высокую термостойкость. Проч­ностные свойства материала невысокие. Оксид бериллия обладает способностью рассеивать ионизирующее излучение высоких энер­гий, имеет высокий коэффициент замедления тепловых нейтронов, применяется для изготовления тиглей для плавки некоторых чистых металлов, в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах.

Керамика на основе оксидов тория и урана имеет высокую температуру плавления, но обладает высокой плотностью и радио­активна. Эти виды керамики применяют для изготовления тиглей для плавки родия, платины, иридия и других металлов, в конструк­циях электропечей, для тепловыделяющих элементов в энергетических реакторах.

 

 

Бескислородная керамика

 К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения элементов с углеродом  — карбиды, с бором  — бориды, с азотом  — нитриды, с кремнием  — силициды и с серой  — сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью (2500—3500°С), твердостью (иногда как у алмаза) и износостойкостью по отноше­нию к агрессивным средам. Материалы обладают высокой хруп­костью. Сопротивление окислению при высоких температурах карбидов и боридов составляет     900—1000°С, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300—1700°С.

Карбиды. Широкое применение получил карбид кремния — карборунд (SiC). Он обладает высокой жаростойкостью (1500— 1600°С), высокой твердостью, устойчивостью к кислотам и не­устойчивостью к щелочам; применяется в качестве нагревательных стержней, защитных покрытий графита и в качестве абразива.

Бориды. Эти соединения обладают металлическими свойствами, их электропроводность очень высокая. Они износостойки, тверды, стойки к окислению.


В технике получили распространение дибориды тугоплавких металлов (TiB2, ZrB2 и др.). Их легируют кремнием или дисилицидами, что делает их устойчивыми до температуры их плавления. Диборид циркония стоек в расплавах алюминия, меди, чугуна, стали и др. Его исполь­зуют для изготовления термопар, работающих при температуре свыше 2000°С в агрессивных средах, труб, емкостей, тиглей. Покрытия из боридов повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.

Нитриды. Неметаллические нитриды являются высокотермо­стойкими материалами, имеют низкие теплопроводность и электро­проводимость. При обычной температуре это изоляторы, а при высоких температурах — полупроводники. С повышением темпе­ратуры коэффициент линейного расширения и теплоемкость увели­чиваются. Твердость и прочность этих нитридов меньше, чем твер­дость и прочность карбидов и боридов. В вакууме при высоких температурах они разлагаются. Они стойки к окислению, действию металлических расплавов.

Силициды отличаются от карбидов и боридов полупроводнико­выми свойствами, окалиностойкостью, они стойки к действию кислот и щелочей. Их можно применять при температуре 1300-1700°С, при 1000 °С они не реагируют с расплавленным свинцом, оловом и натрием. Дисилицид молибдена  используется наиболее широко в качестве стабильного электронагревателя в печах при температуре 1700°С в течение нескольких тысяч часов. Из спеченного MoSi2 изготовляют лопатки газовых турбин, сопло­вые вкладыши двигателей; его используют как твердый смазоч­ный материал для подшипников, для защитных покрытий туго­плавких металлов от высокотемпературного окисления.

Сульфиды. Из сульфидов нашел практическое применение только дисульфид молибдена, имеющий высокие антифрик­ционные свойства. Его применяют в качестве сухого вакуумстойкого смазочного материала. Рабочие температуры на воздухе от -150 до 435°С, в вакууме до 1100°С, в инертной среде до 1540°С. Дисульфид молибдена электропроводен, немагнитен, стоек к ра­диации, воде, инертным маслам и кислотам, кроме крепких НС1, HNO3, и царской водке.При температуре выше 400°С начинается процесс окисления с образованием оксидной пленки, а при 592 °С образуется МоО3, являющийся абразивом.

Классификация конструкционных материалов

Перечень конструкционных материа­лов, применяемых в машино- и прибо­ростроении, велик, и классифицировать их можно по разным признакам. Боль­шинство из них, такие, как стали, чугуны, сплавы на основе меди и легких металлов, являются универсальными. Они обладают многочисленными достоинствами и используются в раз­личных деталях и конструкциях.

Наряду с универсальными применяют конструкционные материалы определен­ного функционального назначения: жа­ропрочные, материалы с высокими упругими свойствами, износостойкие, коррозионно- и жаростойкие.

Классификация подраз­деляет конструкционные материалы по свойствам, определяющим выбор мате­риала для конкретных деталей кон­струкций. Каждая группа материалов оценивается соответствующими крите­риями, обеспечивающими работоспособность в эксплуатации. Универ­сальные материалы рассматриваются в нескольких группах, если возможность применения их определяется различны­ми критериями. В соответствии с выбранным принци­пом классификации все конструк­ционные материалы подразделяют на следующие группы:

1. Материалы, обеспечивающие жест­кость, статическую и циклическую про­чность

2.  Материалы с особыми технологическими свойствами

3.  Износостойкие материалы

4.  Материалы  с  высокими  упругими свойствами

5.  Материалы   с  малой   плотностью

6.  Материалы   с   высокой   удельной прочностью

7.  Материалы, устойчивые к воздей­ствию температуры и рабочей среды

Классификация конструкционных сталей

Стали классифицируют по химическо­му составу, качеству, степени раскисле­ния, структуре и прочности.

По химическому составу стали класси­фицируют на углеродистые и легиро­ванные. По концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеро­дистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,7% С) и высокоуглеродистые (> 0,7% С). Легированные стали в зави­симости от введенных элементов под­разделяют на хромистые, марганцо­вистые, хромоникелевые, хромокремнемарганцевые и многие другие. По коли­честву введенных элементов их разде­ляют на низко-, средне- и высоколегиро­ванные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 5%, в среднелегированных содержится от 5 до 10%, в высоколеги­рованных - более 10%.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, каче­ственные, высококачественные и особовысококачественные.

Под качеством стали понимают сово­купность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производ­ства. Однородность химического соста­ва, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей - серы и фос­фора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, по­этому нормы содержания вредных при­месей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,055% S и 0,045% Р, качественные - не более 0,04% S и 0,035% Р, высоко­качественные - не более 0,025% S и 0,025% Р, особовысококачественные - не более 0,015% S и 0,025% Р.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, прово­димый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформа­ции.

Спокойные стали раскисляют марган­цем, кремнием и алюминием. Они со­держат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения.
Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится по­вышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО соз­дает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие слали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si < 0,07%), но с повышенным количе­ством газообразных примесей.

Полуспокойные стали по степени рас­кисления занимают промежуточное по­ложение между спокойными и кипящи­ми.

При классификации стали по структу­ре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном со­стояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструк­ционные стали разделяют на четыре класса: 1) доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; 2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; 3) аустенитные; 4) ферритные. Углеродистые стали могут быть первых двух классов, легированные - всех классов.

Композиционные материалы с металлической матрицей

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы, упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица свя­зывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные ма­териалы.

Схема структуры (а) и армирования непрерывными волокнами (б) композиционных материалов:

1 — зернистый (дисперсно-упрочненный) материал; 2 — дискретный волокни­стый композиционный материал; 3 — непрерывно волокнистый композиционный ма­териал; 4 — непрерывная укладка волокон; 5 — двухмерная укладка волокон; 6,7 — объемная укладка волокон

Композиционные материалы с волокнистым наполни­телем по механизму армирующего действия делят на дискретные и с непрерывным волокном. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно арми­ровать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна спле­тают в трехмерные структуры.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50—100%), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жест­кость конструкции при одновременном снижении ее металлоем­кости.

Прочность композиционных материалов опреде­ляется свойствами волокон; матрица в основном должна пере­распределять напряжения между армирующими элементами.
Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть зна­чительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Материал	?В	?-1	E, ГПа	?В/?	E/ ?
MПа
Бор — алюминий Бор— магний Алюминий — углерод Алюминий — сталь Никель — вольфрам	1300 1300 900 1700 700	600 500 300 350 150	220 220 220 110	500 590 450 370	84,6 100 100 24,40

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материа­лах уменьшают скорость распространения трещин, зарождаю­щихся в матрице, к практически полностью исключают внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувстги-тельность к концентраторам напряжения.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материа­лов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления в полями напря­жения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаро­прочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повы­шением температуры.

Основным недостатком композиционных материалов с одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостатка лишены материалы с объемным армированием.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упроч­ненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций.


Высокая прочность достигается при размере частиц 10—500 нм при среднем расстоянии между ними 100—500 нм и равномерном распределении их в матрице. Проч­ность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных туго­плавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворяю­щихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую проч­ность материала. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные ком­позиционные материалы могут быть получены на основе большин­ства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия — САП (спеченный алюминиевый порошок). САП состоит из алюми­ния и дисперсных чешуек А12О3. Частицы А12О3 эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность сплава. Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и корро­зионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250-500 °С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность для сплавов САП-1 и САП-2 при 500 °С составляет 45—55 МПа.

Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. Широкое применение получили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный дву­окисью тория), ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni + 20 % Cr, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. Дисперсно-упрочненные компози­ционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупроч­нению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре.

Области применения композиционных материалов не ограни­чены. Они применяются в авиации для высоконагруженных де­талей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д.), в косми­ческой технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областях народного хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энерге­тических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей

Композиционные материалы с неметаллической матри­цей нашли широкое применение. В качестве неметаллических мат­риц используют полимерные, углеродные и керамические мате­риалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение полу­чили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная. Уголь­ные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из син­тетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связы­вает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава ком­понентов, их сочетания, количественною соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах соста­вляет 60—80%, в неориентированных (с дискретными волок­нами и нитевидными кристаллами) 20—30%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы опре­деляют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивле­ние усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифи­цируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей.
Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут рас­полагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем расположения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.

Схемы армирования композиционных материалов: I - однонаправленная; II - двухнаправленная; III - трехнаправленная; IV - четырехнаправленная.

Укладка во­локон (1 - прямоугольная, 2 - гексаго­нальная, 3 - косоугольная, 4 - с искри­вленными волокнами, 5 - система из n ни­тей)

Кристаллизация металлов

Переход металла из жидкого или па­рообразного состояния в твердое с образованием кристаллической струк­туры называется первичной кристалли­зацией. Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией.

Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процес­сов - зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопро­извольно (самопроизвольная кристалли­зация) или расти на имеющихся го­товых центрах кристаллизации (несамо­произвольная кристаллизация).

Легированные стали

Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. По ГОСТ 4543-71 принято обозначать хром - X, ни­кель - Н, марганец - Г, кремний-С, мо­либден-М, вольфрам-В, титан-Т, ва­надий-Ф, алюминий - Ю, медь-Д, нио­бий - Б, бор-Р, кобальт-К. Цифра, стоящая после буквы, указывает на при­мерное содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра отсут­ствует, то легирующего элемента мень­ше или около 1 %.

Две цифры в начале марки конструк­ционной легированной стали показы­вают содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20ХНЗА в среднем содержит 0,20%С, 1 % Сг и 3 % Ni. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная. Особовысококачественные стали имеют в конце марки букву Ш.

Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки шарикоподшипниковых сталей начи­наются с буквы Ш, электротехниче­ских - с буквы Э, автоматных - с буквы А.

Влияние легирующих элементов на ме­ханические свойства сталей

Легирую­щие элементы вводят для повышения конструкционной прочности стали. Легированные стали производят каче­ственными, высококачественными или особовысококачественными. Их приме­няют после закалки и отпуска, посколь­ку в отожженном состоянии они по механическим свойствам практически не отличаются от углеродистых.

Улучшение механических свойств обусловлено влиянием легирующих эле­ментов на свойства феррита, дисперс­ность карбидной фазы, устойчивость мартенсита   при   отпуске,   прокаливаемость, размер зерна.

В конструкционных сталях феррит — основная структурная составляющая (не менее 90% по объему), во многом опре­деляющая их свойства. Легирующие элементы, растворяясь в феррите, упрочняют его. Наиболее сильно повы­шают твердость медленно охлажденно­го  феррита кремний, марганец, никель, т. е. элементы, имеющие отличную от него кристаллическую решетку.

К важнейшим факторам, способ­ствующим повышению конструкцион­ной прочности, относятся снижение при легировании критической скорости за­калки и увеличение прокаливаемости. Наиболее эффективно повышает прокаливаемость введение нескольких элемен­тов : Cr + Mo, Cr + Ni, Cr + Ni + Mo и др. При комплексном легировании высокие механические свойства можно получить практически в сечении любого размера, поэтому комплексно-легиро­ванные стали применяют для крупных деталей сложной формы. Большинство легирующих элементов измельчает зерно, что способствует по­вышению работы развития трещины и снижению порога хладноломкости.

Для обеспечения вы­сокой конструкционной прочности коли­чество легирующих элементов в стали должно быть рациональным. После до­стижения необходимой прокаливаемости избыточное легирование (за исклю­чением никеля) снижает трещиностойкость и облегчает хрупкое разрушение.

Литье по выплавляемым моделям

Модель изготавливается из парафина, стеарина, церезина и других материалов. В роли связующего выступает кварцевый песок совместно с этил силикатом.

Недостатком этого метода является то, что используемые формы однократного применения, у которых маленькая толщина оболочки, то есть детали получаются небольших размеров (до 10кг).

Литье под давлением

Литье под давлением является одним из самых прогрессивных методов получения отливок из цветных сплавов.

Сущность процесса литья под давлением состоит в том, что в стальную пресс-форму под большим давлением и с большой скоростью вводится рас­плавленный металл. При этом происходит мгновенное заполнение всей полости формы любой сложной конфигурации. Этот метод обеспечивает получение тонкостенных отливок с чистой поверхностью и точными раз­мерами. Литье под давлением по сравнению с другими способами получения отливок имеет ряд преимуществ:

Высокая точность размеров отливки

В основном точность размеров отливок соответствует 5-му классу точности по ГОСТу 2689-54. Точность размеров отливки зависит от точности изготовления пресс-формы, состава сплава и его температуры, температуры формы и продолжительности выдержки металла под давлением.

Высокий класс чистоты поверхно­сти отливок

Шероховатость поверх­ности отливок соответствует 6-му классу чистоты по ГОСТу 2789-59. Чистота поверхности отливок зависит в первую очередь от чистоты обра­ботки пресс-формы (ухудшается по мере износа формы) и от применяе­мых сплавов. Шероховатость поверх­ности алюминиевых и магниевых от­ливок соответствует 5-8-му классу чистоты.

Минимальный объем механиче­ской обработки отливок

В сочетании с высокой точностью размеров и вы­сокой чистотой поверхности  детали, отлитые под давлением, в большин­стве случаев не требуют последующей механической    обработки.

Минимальный расход металла

Этим методом можно изготовлять тонкостенные отливки, получение которых другими методами литья невоз­можно. Изготовление отливок без припусков на механическую обработку при­водит к минимальному расходу дорогостоящих цветных металлов.

Высокая прочность

Благодаря быстрому охлаждению отливки приоб­ретают мелкозернистую структуру и повышенную прочность. Чем меньше толщина стенки отливки, тем больше ее прочность.

По сравнению с другими способами литье под давлением позволяет полностью механизировать и автоматизировать технологический процесс получения отливок и имеет самый короткий производственный цикл. Указанные преимущества литья под давлением приводят к значитель­ному повышению производительности труда, улучшению условий труда и снижению себестоимости отливок в несколько раз.

Однако преимущества литья под давлением проявляются главным образом в крупносерийном и массовом производстве, когда очень быстро окупаются затраты на изготовление стальных пресс-форм. Стойкость пресс-форм зависит от применяемых сплавов и является одним из основных фак­торов, определяющих себестоимость деталей, получаемых литьем под давлением, и целесообразность применения этого способа.

Литье под давлением широко применяется в автомобилестроении, при­боростроении, авиационной промышленности, в радиотехнике и электро­промышленности, а также и в других отраслях машиностроения. Этому способствует создание все более мощных машин литья под давлением, позволяющих расширить ассортимент отливок, увеличить их габаритные размеры и сложность, а также повысить качество отливок.

Литье под низким давлением

Особенностью этого способа является заполнение формы расплавом снизу вверх непосредственно из печи и кристаллизации отливки под действием низкого давления.

На крышку герметичного металлического тигля, поме­щенного в электропечь, установлена металлическая форма. Через крышку тигля проходит один или два металлопровода, немного не доходящих до дна тигля. Верхняя часть металлопровода через литниковую втулку сооб­щается с коллектором литниковой системы. Внутренняя полость отливки оформляется песчаным стержнем, внутри которого находится трубчатый литой каркас. На металлическую форму установлен песча­ный стержень  с фильтром из стружки. По трубопроводу в тигель подается сжатый воздух или инертный газ, который, оказывая давление на поверх­ность сплава, вытесняет его по металлопроводу вверх в литниковую систему и через нее в полость формы.

Сначала расплав подается медленно, затем, достигнув электрокон­такта в нижней части формы, включает дополнительное давление пневмосистемы и быстро заполняет полость формы. Достигнув второго электро­контакта, расплав включает прибор, прекращающий дальнейшее повышение давления пневмосистемы. Давление поддерживается на постоянном уровне до полного затвердения отливки. Стружковый фильтр пропускает воздух, вытесняемый из формы поступающим расплавом, но препятствует выходу металла, обеспечивая плавное торможение потока в конце заполнения полости формы.

После затвердевания отливки давление в тигле автоматически сбрасывается, форма раскрывается и отливка извлекается.

Автоматическое управление скоростью заполнения формы металлом впервые осуществлено при разработке машин для литья под низким дав­лением. Литье под низким давлением применяется при изготовлении сложных крупногабаритных тонкостенных деталей из алюминиевых и магниевых сплавов.

Литье в кокиль

Повышенные механические свойства и плотность

Вследствие большой скорости охлаждения жидкого металла в кокиле образуется мелкокристал­лическая структура отливок, что способствует повышению их плотности и механических свойств.

Повышенная точность размеров и чистота поверхности отливок

Бла­годаря более точным и стабильным размерам металлических форм и более чистой их поверхности повышается точность размеров и чистота поверх­ности отливок. Точность отливок из алюминиевых и магниевых сплавов при литье в кокиль на два класса выше, чем при литье в песчаные формы.

Меньшие припуски на механическую обработку

Вследствие большей точности и чистоты поверхности отливок при литье в кокиль припуски на механическую обработку отливок на 40—50% меньше, чем при литье в песчаные формы.

Экономия формовочных и вспомогательных материалов

При литье в кокиль алюминиевых и магниевых сплавов применяют незначительную часть песчаных стержней, на которые расходуется меньше формовочных и вспомогательных материалов, чем при литье в песчаные формы.

По мере роста удельного веса литья в кокиль в общем производстве отливок расход формовочных и вспомогательных материалов резко сни­жается. Соответственно уменьшаются грузопоток и затраты на приготовление и транспортировку этих материалов.

Снижение брака

Более стабильные условия технологического про­цесса литья в кокиль по сравнению с литьем в песчаные формы дают возможность снизить брак.

Снижение расхода металла

Получение более точных отливок с мень­шими припусками на механическую обработку, уменьшение веса литни­ковой системы, а также увеличение с 20 до 30% использования отходов в шихте при литье в кокиль цветных сплавов позволяет уменьшить чер­новой вес отливок и снизить расход свежих чушковых материалов. Экономия свежих металлов при литье в кокиль достигает на отдельных отливках от 37 до 75%.

Снижение трудоемкости

При литье в кокиль сокращается производ­ственный цикл изготовления отливок, так как исключаются операции приготовления формовочных смесей и формовки, уменьшается объем изготовления и сушки песчаных стержней, плавки металла и отделки отливок. В результате значительно снижается трудоемкость производства отливок.

Снижение себестоимости

Перечисленные выше преимущества литья в кокиль приводят к снижению себестоимости отливок из цветных сплавов.

Кроме того, при литье в кокиль облегчается очистка и обрубка литья, значительно уменьшается число применяемого оборудования (фор­мовочных и стержневых машин, очистного и другого технологического и транспортного оборудования). Увеличивается съем литья с квадратного метра производственной площади и резко улучшаются санитарно-технические условия труда.

Литье в оболочковые формы

Преимущества этого метода заключаются в высокой точности отлива, также получается низкая шероховатость поверхности и малый расход формовочного материала.

Недостатками этого метода являются ограничения по массе у детали (до 100кг), также формы можно использовать малое число раз (2÷3 раза), что способствует низкой производительности.

Литье в землю

Недостатки этого метода заключаются в том, что поверхность детали получается шероховатой, охлаждение детали происходит очень медленно, то есть производительность будет низкой, также такой детали присущи низкие механические свойства, так как кристаллизация происходит длительное время и образуется крупнозернистая структура у детали.

Литье выжиманием

Для получения крупногабаритных тонкостенных деталей панельного типа изобрели новый способ литья в металлические формы со сближающимися стенками. Разработанный по этому принципу литей­ный процесс назван «литье выжиманием».

Залитый в нижнюю часть раскрытой формы (металлоприемник) жидкий сплав по мере сближения стенок закрываю­щейся формы поднимается и заполняет ее. При этом на стенках формы идет наращивание кристаллизующегося сплава, удаление избытка рас­плава наружу и соединение в одно целое закристаллизовавшегося сплава.

Литье выжиманием имеет следующие две особенности, определяющие его сущность как метода получения тонко­стенных деталей с большой поверхностью:

1. Процесс заполнения формы расплавом происходит сплошным пото­ком, сечение которого во много раз превосходит толщину стенки отливки. В результате намного снижаются гидравлические потери при заполнении полости формы и создаются условия замедленной кристаллизации сплава.

2. Формообразование отливки происходит в процессе сжимания потока жидкого сплава в два этапа. Сначала сплав кристаллизуется на стенках формы в виде корки с постепенным наращиванием толщины слоя за счет расплава, непрерывно подаваемого из металлоприемника в зоны кристал­лизации. Затем корки соединяются в цельную отливку с одновременным удалением избытка жидкого металла вместе с находящимися в нем загрязнениями.

Медные сплавы

Свойства меди. Медь металл красновато-розового цвета; кристаллическая ГЦК решетка, поли­морфных превращений нет. Медь менее тугоплавка, чем железо, но имеет большую плотность. Медь обладает хорошей технологич­ностью. Она прокатывается в тонкие листы, ленту. Из меди получают тонкую проволоку, медь легко полируется, хорошо паяется и сваривается. Медь характеризуется высокими теплопро­водностью и электропроводимостью, пла­стичностью и коррозионной стойкостью.

Примеси снижают все эти свойства. По ГОСТ 859-78 в зависимости от содержания примесей различают следующие марки ме­ди: М00 (99,99%Cu), М0 (99,97%Cu), M1 (99,9%Cu), М2 (99,7%Cu), МЗ (99,5%Cu). Наиболее часто встречающиеся в меди при­меси подразделяют на три группы.

1.  Растворимые в меди элементы Al, Fe, Ni, Zn, Ag повышают прочность и твер­дость меди  и используются для ле­гирования сплавов на медной основе.

2. Нерастворимые элементы РЬ и Bi ухуд­шают механические свойства меди и однофазных сплавов на ее основе. Образуя легко­плавкие эвтектики, располагающиеся по границам зерен основной фазы, они вызы­вают красноломкость. Причем вредное влия­ние висмута обнаруживается при его содер­жании в тысячных долях процента, посколь­ку      его      растворимость      ограничивается 0,001%. Вредное влияние свинца также про­является     при     малых     его     содержаниях (< 0,04 %).  Висмут,  будучи  хрупким  метал­лом, охрупчивает медь и ее сплавы. Свинец, обладая  низкой  прочностью,  снижает   про­чность медных  сплавов,  однако  вследствие хорошей    пластичности    не    вызывает    их охрупчивания. Кроме того, свинец улучшает антифрикционные  свойства  и  обрабатывае­мость  резанием   медных   сплавов,   поэтому применяется для легирования двухфазных сплавов меди.

3. Нерастворимые примеси O, S, Se, Tl присутствуют в меди и ее сплавах в виде промежуточных фаз, которые образуют с медью эвтектики с вы­сокой температурой плавления и не вызы­вают красноломкости.
Кислород при отжиге меди в водороде вызывает «водородную бо­лезнь», которая может привести к разруше­ нию металла при обработке давлением или эксплуатации готовых деталей.

Механические свойства меди в большой степени зависят от ее состояния и в меньшей от содержания примесей. Высокая пластичность чистой отожженной меди объясняется большим количеством плоскостей скольжения. Холодная пластическая деформация (достигающая 90% и более) увеличивает проч­ность, твердость, предел упругости меди, но снижает пластичность и электрическую про­водимость. При пластической деформации возникает текстура, вызывающая анизотро­пию механических свойств меди. По электропроводимости и теплопроводно­сти медь занимает второе место после сере­бра. Она применяется для проводников элек­трического тока и различных теплообменников, водоохлаждаемых излож­ниц, поддонов, кристаллизаторов.

Недостатки меди: высокая плотность, пло­хая обрабатываемость резанием и низкая жидкотекучесть.

Общая характеристика и классифика­ция медных сплавов. Сохраняя положи­тельные качества меди (высокие тепло­проводность и электропроводимость, коррозионную стойкость и др.), медные сплавы обладают хорошими механиче­скими, технологическими и антифрикционными свойствами.

Для легирования медных сплавов в основном используют элементы, рас­творимые в Cu, Zn, Sn, Al, Be, Si, Mn, Ni. Повышая прочность медных спла­вов, легирующие элементы практически не снижают, а некоторые из них (Zn, Sn, Al) увеличивают пластичность. Высокая пластичность - отличительная особен­ность медных сплавов. По прочности медные сплавы уступают сталям.

По технологическим свойствам мед­ные сплавы подразделяют на деформи­руемые (обрабатываемые давлением) и литейные; по способности упрочнять­ся с помощью термической обработ­ки - на упрочняемые и неупрочняемые. По химиче­скому составу медные сплавы под­разделяют на две основные группы: латуни и бронзы.

Латунями называются сплавы меди с цинком.


Они бывают двойными (про­стые) и многокомпонентными (легиро­ванные). Двойные деформируемые лату­ни маркируются буквой Л (латунь) и цифрой, показывающей среднее содер­жание меди в процентах. Латуни с со­держанием 90% Cu и более называются томпаком (Л96), при 80 - 85%Cu — полу­томпаком (Л80). В марках легированных латуней кроме цифры, показывающей со­держание меди, даются буквы и цифры, обозначающие название и количество в процентах легирующих элементов. Алюминий в медных сплавах обозна­чают буквой А, никель-Н, олово-О, свинец-С, фосфор-Ф, железо-Ж, кремний-К, марганец-Мц, берил­лий-Б, цинк-Ц. Например, ЛАН59-3-2 содержит 59%Cu, 3% Аl, 2% Ni. В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество каждо­го легирующего элемента ставится не­посредственно за буквой, обозначающей его название. Например, ЛЦ40МцЗА со­держит 40% Zn, 3% Mn, 1% Al.

Бронзами называются сплавы меди со всеми элементами кроме цинка. Назва­ние бронзам дают по основным элемен­там. Так, их подразделяют на оловянные, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и др. В бронзах в качестве легирующей добавки может присутствовать цинк. Де­формируемые бронзы маркируют бук­вами Бр (бронза), за которыми следуют буквы, а затем цифры, обозначающие название и содержание в процентах легирующих элементов. Например, БрОЦС4-4-2,5 содержит 4% Sn, 4 % Zn, 2,5 % Pb. Сплавы меди с нике­лем имеют названия: мельхиоры, куниали, нейзильберы. В марках литейных бронз содержание каждого легирующе­го элемента ставится сразу после буквы, обозначающей его название. Например, БрО6Ц6СЗ содержит 6% Sn, 6% Zn, 3% Pb.

Свойства    промышленных    латуней,    обрабатываемых    давлением

 

Латунь	Массовая доля, %	?в	?0,2	?,%	HB
Cu	Прочих элементов	MПа
Л90 Л68 Л63 Л 60 ЛА77-2 ЛАН59-3-2 ЛН65-5 ЛЖМц59- 1-1 ЛМц58-2 ЛО70-1 ЛС59-1 ЛК80-3	88-91 67-70 62-65 59-62 76-79 57-60 64-67 57-60 57-60 69-71 57-60 79-81	- - - - 1,75-2,5 А1 2,5-3,5 А1 2-3 Ni 5-6,5 Ni 0,1-0,4 Al 0,6-1,2 Fe 0,5-0,8 Mn 0,3-0,7 Sn 1-2 Mn 1-1,5 Sn 0,8-1,9 Pb 2,5-4 Si	260 320 330 380 400 380 400 450 400 350 400 300	120 91 110 160 140 300 170 170 160 100 140 200	45 55 50 25 55 50 65 50 40 60 45 58	530 550 560 770 600 750 600 880 850 600 900 1000

Механические свойства материалов

Из всех свойств, которыми обладают твердые тела, наиболее харак­терными являются механические свойства — прочность, твердость, пластичность, износостойкость и др. Именно благодаря этим свойст­вам твердые тела получили столь широкое практическое применение в качестве конструкционных, строительных, электротехнических, маг­нитных и других материалов, без которых немыслимо развитие мате­риального производства. Рассмотрим некоторые из этих свойств.

Металлопласты

Полимерные материалы (пластмассы), на­полненные металлическим заполнителем в виде порошков, во­локон, ткани, называются металлопластами.

Металл сообщает таким композициям ряд специальных свойств — магнитных (при наполнении железом, пермаллоем и т. д.), повышенную электро- и теплопроводность, поглощение и отражение радиоволн, повышенную демпфирующую способ­ность и т. д.

Полимеры, наполненные магнитными порошками, называют­ся магнитодиэлектриками.

Нагрев для снятия остаточных напря­жений

Многие технологические воздей­ствия на обрабатываемые детали сопро­вождаются возникновением в них оста­точных напряжений, которые уравнове­шиваются в объеме детали. Значительные остаточные напряжения возникают в отливках и полуфабрика­тах, неравномерно охлаждающихся по­сле проката или ковки, в холоднодеформированных полуфабрикатах или заго­товках, в прутках в процессе правки, в сварных соединениях, при закалке и т. п.

Остаточные напряжения, возникшие в указанных случаях, чаще всего нежела­тельны. Они могут вызвать деформа­цию деталей при обработке резанием или в процессе эксплуатации, а, сумми­руясь с напряжениями от внешних на­грузок, привести к преждевременному разрушению или короблению конструк­ции; увеличивая запас упругой энергии, оста­точные напряжения повышают вероят­ность хрупкого разрушения. Во многих сплавах они вызывают склонность к растрескиванию в присутствии коррозионно-активной среды. По величине остаточные напряжения могут дости­гать предела текучести.

Для уменьшения остаточных напря­жений изделия нагревают. С повыше­нием температуры предел текучести по­нижается, поэтому остаточные напряже­ния вызывают пластическую деформа­цию и снижаются до уровня предела текучести металла при температуре на­грева.

В стальных и чугунных деталях зна­чительное снижение остаточных напря­жений происходит в процессе выдержки при температуре 450 °С; после выдерж­ки при температуре 600 °С напряжения понижаются до очень низких значений. Время выдержки устанавливается от не­скольких до десятков часов и зависит от массы изделия.

В сплавах на основе меди и алюми­ния существенное уменьшение оста­точных напряжений происходит при меньших температурах нагрева. Напри­мер, в холоднодеформированных ла­тунных полуфабрикатах остаточные на­пряжения практически полностью сни­маются в процессе отжига при 250-300°С

По окончании выдержки при задан­ной температуре изделия медленно ох­лаждают, чтобы предотвратить возник­новение новых напряжений. Допустимая скорость охлаждения зависит от массы изделия, его формы и теплопроводности материала; она обычно лежит в пре­делах 20-200 °С/ч.

Назначение и виды химико-термической обработки

Химико-термической обработкой называ­ется процесс поверхностного насыщения стали различ­ными элементами путем их диффузии из внешней среды при высокой температуре. Цель химико-термической обработки — поверхностное упрочнение металлов и спла­вов и повышение их стойкости против воздействия внеш­них агрессивных сред при нормальной и повышенных температурах.

Процессы химико-термической обработки состоят из трех стадий:

- диссоциации, которая заключается в распаде моле­кул и образовании активных атомов диффундирующего элемента;

- адсорбции, т. е. контактирования атомов диффунди­рующего элемента с поверхностью стального изделия и образования химических связей с атомами металла;

- диффузии, т. е. проникновения насыщающего элемен­та в глубь металла.

Скорость диффузии (коэффициент диффузии) при проникновении диффундирующих атомов в решетку раст­ворителя будет выше, если при взаимодействии образу­ются твердые растворы внедрения, и значительно ниже, если образуются твердые растворы замещения.

Концентрация диффундирующего элемента на по­верхности зависит от притока атомов этого элемента к поверхности и от скорости диффузионных процессов, т. е. отвода этих атомов в глубь металла. Чем выше концентрация диффундирующего элемента на поверхности детали, тем больше толщина слоя. Чем выше температура процесса, тем больше ско­рость диффузии атомов, а, следовательно, возрастает тол­щина диффузионного слоя.

Границы зерен являются участками, где диффузион­ные процессы облегчаются из-за наличия большого числа дефектов кристаллического строения. Если раствори­мость диффундирующего элемента в металле мала, то часто наблюдается преимущественная диффузия по гра­ницам зерен. При значительной растворимости диффун­дирующего элемента в металле роль пограничных слоев уменьшается. В момент фазовых превращений диффузия протекает быстрее.

 

                                                                - толщина диффузионного слоя

Неорганические материалы

К неорганическим полимерным материалам относятся минераль­ное стекло, ситаллы, керамика и др. Этим материалам присущи негорючесть, высокая стойкость к нагреву, химическая стойкость, неподверженность старению, большая твердость, хорошая сопротивляемость сжимающим нагрузкам. Однако они обладают повы­шенной хрупкостью, плохо переносят резкую смену температур, слабо сопротивляются растягивающим и изгибающим усилиями имеют большую плотность по сравнению с органическими полимерными материалами.

Основой неорганических материалов являются главным обра­зом оксиды и бескислородные соединения металлов. Поскольку большинство неорганических материалов содержит различные соединения кремния с другими элементами, эти материалы объеди­няют общим названием силикатные. В настоящее время применяют не только соединения кремния, но и чистые оксиды алюминия, магния, циркония  и другие, обладающие более ценными техни­ческими свойствами, чем обычные силикатные материалы.

В группу неорганических полимеров входит также графит. Неметаллические материалы подразделяют на графит, неоргани­ческое стекло, стеклокристаллические материалы — ситаллы и керамику.

---

---