Свойство материала сопротивляться усталости называется выносливостью.
Выносливость возрастает по мере снижения напряжения, что видно из кривой усталости (рис. 4.2), которая показывает, какое число циклов перемен нагрузки N выдерживает материал до разрушения.
Анализ кривой усталости показывает, что чем меньше напряжение, тем большее число нагружений выдерживает металл до разрушения. Существует какое-то максимальное напряжение, ниже которого металл не разрушается от усталости. Эта величина называется пределом выносливости.
Выносливость металлов и сплавов зависит от их природы, характера обработки, состояния поверхности, условий эксплуатации и т. п.
На предел выносливости оказывает большое влияние неоднородность металла. В металле всегда могут присутствовать трещины, неметаллические включения, газовые пузыри, усадочные раковины, пустоты и т. п., которые при нагрузках вызывают местную концентрацию напряжений.
Распределение напряжения при изгибе и кручении таково, что наибольшие напряжения возникают на поверхности. Например, при вращении цилиндрического образца, подвергнутого изгибу, волокна, испытывающие растяжение, через пол-оборота будут подвергаться сжатию, и наоборот. В этих местах и начинает образовываться трещина усталости, которая часто возникает на поверхности. Отсюда следует, что на сопротивление усталости оказывает большое влияние состояние поверхности детали.
Шероховатость поверхности после обработки резанием (царапины, риски, следы от режущего инструмента), наличие участков коррозии, обезуглероженного слоя, резких изломов линий контура деталей (шпоночные канавки, надрезы, отверстия) вызывают местную концентрацию напряжений и могут резко понизить предел выносливости.
Места концентрации напряжений являются ослабленными участками металла. В них начинается развитие пластической деформации и появление микротрещин. Большое влияние на предел выносливости оказывают размеры детали (образца). С увеличением диаметра образца предел выносливости снижается.
Таким образом, повышение усталостной прочности практически сводится к выбору оптимальной формы детали, улучшению шероховатости поверхности и применению различных методов упрочнения поверхностного слоя.
К физическим свойствам металлов и сплавов относятся: плот¬ность, температура плавления, теплопроводность, электро-провод¬ность, тепловое расширение, удельная теплоемкость и способность намагничиваться (табл. 1).
Химические свойства — способность металлов и сплавов сопро¬тивляться воздействию окружающей среды, которое проявляется в различных формах. Под влиянием кислорода воздуха и влаги ме¬таллы подвергаются коррозии: чугун и сталь ржавеют; бронза покрывается зеленым слоем оксида меди; сталь при нагреве в печах без защитной атмосферы окисляется, превращаясь в окалину, а в серной кислоте растворяется.
Металлы и сплавы, стойкие против окисления при высокой тем¬пературе нагрева, называются жаростойкими или окалиностойкими. Из них изготовляют такие детали, как клапаны двигателей внутрен¬него сгорания и др. Золото, серебро и нержавеющие стали слабо поддаются коррозии.
66.Кольорові метали та сплави. Цінні властивості та недоліки. Цветные металлы составляют не более 10 % всех применяемых в промышленности. Это объясняется тем, что они, за исключением алюминия, реже встречаются в природе, труднее добываются и до¬роже стоят, чем черные. Поэтому везде; где это возможно, цветные металлы стараются заменить черными металлами или пластмас¬сами. Однако в ряде случаев осуществить это нельзя, так как цветные металлы обладают следующими ценными свойствами: высокой электро- и теплопроводностью (золото, серебро, медь и алюминий); высокой коррозионной стойкостью (золото, серебро, платина, оло¬во, свинец, медь, никель, титан); высокой пластичностью (медь, сви¬нец, олово, алюминий, магний); низкой температурой плавления (ртуть, цезий, олово, свинец); высокой температурой плавления (вольфрам, тантал, молибден, ниобий); низкой плотностью (литий, магний, бериллий, алюминий и титан).
Кроме того, они способны образовывать сплавы, обладающие более высокими свойствами, чем входящие в них элементы. Имен¬но этим объясняется их использование в электро- и радиотехнике, космической технике, самолетостроении и т. п.
В судостроении находят применение почти все цветные металлы в чистом виде или в виде сплавов. Минусы.
Низкое содержание металлов в рудах оказывает огромное влияние на экономику цветной металлургии, резко снижая ее производительность и повышая стоимость продукции. Это является неизбежным следствием огромного расхода сырья на единицу готовой продукции.
Цветные металлы нельзя выплавлять без предварительного сложного технологического процесса обогащения их руд. Особенности руд цветных металлов существенно влияют не только на технологию и экономику цветной металлургии, но и на ее размещение.
Руды цветных металлов экономически нетранспортабельны. Вследствие этого первичная переработка руд цветных металлов (обогащение) территориально связана с их добычей: обогатительные фабрики, как правило, располагают в непосредственной близости к рудникам, что освобождает транспорт от перевозки огромных масс пустой породы.
Обогащенная руда, или концентрат, как правило, содержит мало цветного металла. Вследствие этого дальние перевозки также маловыгодны.
Для обогащения руд цветных металлов требуется большое количество воды. Следовательно, наличие воды – условие, также влияющее на размещение предприятий цветной металлургии.
Плюсы.
Руды цветных металлов обычно – комплексное сырье, служит исходным материалом для получения целого ряда металлов. Комплексность сырья создает условия и требует комбинированного его использования с целью максимального извлечения содержащихся в руде ценных металлов. Поэтому для цветной металлургии характерно строительство комбинатов, отдельные цехи которого используют различные компоненты сложных по составу руд. Комплексное использование сырья в цветной металлургии увеличивает объем продукции, значительно снижает ее себестоимость и дополнительно дает народному хозяйству много ценных продуктов.
Белым (передельным) называется чугун, в котором углерод находится в виде цементита. Он имеет в изломе белый цвет (поэто¬му его называют белым), обладает высокой твердостью и хрупко¬стью, не поддается механической обработке. Белый чугун составляет около 80 % всех выплавляемых чугунов и идет в основном для пе¬ределки в сталь.
Серым (литейным) называется чугун, в котором углерод на¬ходится в виде пластинчатого графита. Он имеет в изломе серый цвет (поэтому его называют серым), обладает меньшей твердостью и хрупкостью, чем белый чугун, поддается механической обработке.
Серый чугун хорошо сопротивляется сжимающим нагрузкам, не-чувствителен к поверхностным дефектам и удовлетво-рительно со-противляется усталостному разрушению, но из-за низкой пластич¬ности и ударной вязкости его использование в качестве конструк¬ционного материала ограничено.
Различают следующие марки серого чугуна: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18, СЧ 20, СЧ 24, СЧ 25, СЧ 30,СЧ 35. Буквы СЧ в марке обозначают серый чугун, двузначная цифра соответствует пределу прочности при растяжении σв (МПа). Например, марка СЧ 18 показывает, что чугун этой марки имеет σв=176 МПа.
Разновидностью серого чугуна является ковкий чугун. Это ус¬ловное название более мягкого и вязкого чугуна, чем серый, полу¬чаемого из белого чугуна в результате длительного отжига. Суще¬ствуют следующие марки ковкого чугуна по КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12, КЧ 45-6, КЧ 50-4, КЧ 56-4, КЧ 60-3, КЧ 63-2. Буквы КЧ в марке означают сокращенное название ковкий чугун, две первые цифры — предел прочности на растяже-ние (МПа), одна или две последние цифры — относительное удли¬нение (%).
Ковкий чугун обладает хорошими механическими свойствами и высокой стойкостью к коррозии. В судостроении из него изготов¬ляют малонапряженные детали судового оборудования, дельные вещи и арматуру (детали клапанов и задвижек, иллюминаторы, дверные ручки и т. п.).
Модифицированный чугун получают путем введения в жидкий серый чугун перед разливкой специальных элементов, называемых модификаторами, например, алюминия, кремния, кальция и др. Они увеличивают количество центров кристаллизации и, следовательно, измельчают графит.
Поэтому модифицированный чугун имеет по¬вышенную прочность, лучшую стойкость против образования трещин и меньшую хрупкость, чем обычные серые. Все высшие марки серого чугуна получают методом модифицирования.
Высокопрочным называется серый чугун, содержащий шаровид¬ный графит. Его получают введением в серый чугун магния, церия и висмута. Добавка их в расплавленный серый чугун, содержащий пластинчатый графит, превращает его в шаровидный. Высокопроч¬ный чугун имеет более высокие механические свойства, чем обыч¬ный серый, модифици-рованный и ковкий чугуны, а также среднеуглеродистая сталь.
68.Швидкорізальні та інструментальні вуглецеві сталі. Галузь застосування. Инструментальные стали предназначены для изготовления ре¬жущего, мерительного, штампового и другого инструмента. Быстрорежущие стали (рапиды, быстрорезы) относятся к инструментальным сталям специального назначения. Для всех инструментальных сталей характерны высокая твердость в холодном и горячем состоянии и высокое сопротивление пластической деформации. У быстрорежущих сталей комплекс характеристик дополнен красностойкостью – сохранением свойств при разогревании инструмента до температуры близкой к 600 º С, что важно для обработки твердых металлов резанием на высокой скорости.Кобальтовые и ванадиевые быстрорежущие стали применяются для обработки конструкционных сталей при повышенных режимах резания, а также жаростойких, нержавеющих и высокопрочных сталей.
Инструменты из кобальтовых сталей применяются для обработки жаропрочных и коррозионно-стойких сталей, а также других труднообрабатываемых сплавов, подходят для эксплуатации в условиях недостаточного охлаждения, прерывистого резания и вибраций. Область применения быстрорежущих ванадиевых сталей – изготовление инструментов, предназначенных для чистовой обработки труднообрабатываемых металлов (разверток, протяжек и т.д.)
69.Сутність термообробки металів. Для снижения твердости и повышения вязкости стали, устране¬ния химической и структурной неоднородности, уменьшения внут¬ренних напряжений, улучшения обрабатываемости и получения мелкозернистой структуры проводят ее отжиг или нормализацию. Существуют различные виды отжига, характеризующиеся режима¬ми нагрева и охлаждения.Температуры нагрева стали при различных видах термообработки: 1 — отжиг для уменьшения напряжения;
2 — рекристаллизационный отжиг; 3 — неполный отжиг; 4 — полный отжиг; 5 — диффузионный отжиг;
6 — нормализация
Полный отжиг характеризуется нагревом стали на 30-50 °С выше температуры Ас3 (рис. 9) с последующим медленным охлаждением. При таком отжиге про¬исходит значительное снижение твердости и устранение структур¬ной неоднородности стали в ре¬зультате фазовой перекристалли-зации, изменения формы и разме¬ров зерна структурных составля¬ющих — сталь становится мелко¬зернистой. Полный отжиг приме¬няют главным образом для доэвтектоидных сталей.
Неполный отжиг характеризу¬ется, нагревом стали до темпера¬тур в интервале превращений Ас1—Ас3 (доэвтектоидные стали) и Ас1—Аст (заэвтектоидные ста¬ли) и последующим медленным охлаждением. При таком отжиге снижается твердость, что улучшает обрабатываемость стали, снимаются внутренние напряжения и структура становится более однородной.
Изотермический отжиг, применяемый для легированных сталей, состоит из нагрева их на 20-30 °С свыше Ас3, выдержки и относи¬тельно быстрого охлаждения до температуры 630-700 °С. При этой температуре сталь выдерживают до полного распада аустенита, затем охлаждают на воздухе.
После изотермического отжига сталь приобретает такие же механические свойства, как и после полного отжига. Изотермический отжиг по сравнению с обычным, сокраща¬ет время обработки вдвое.
Диффузионный отжиг (гомогенизация) состоит из нагрева ста¬ли до 1050-1150°С, длительной выдержки (10-15 ч) и последую¬щего медленного охлаждения. Цель диффузионного отжига — вы¬равнивание химической неоднородности стали, т. е. уменьшение ликвации в слитках, отливках, заготовках. Поэтому диффузион¬ный отжиг называют также гомогенизацией (получение однородно¬го по составу сплава). Диффузионный отжиг приводит к образова¬нию крупнозернистой структуры. Этот дефект можно устранить по¬следующей горячей обработкой давлением или проведением полного отжига.
Рекристаллизационный (низкий) отжиг состоит из нагрева ста¬ли ниже Ас1 на 5О...1ОО°С, выдержки при этой температуре и после¬дующего охлаждения на воздухе. После рекристаллиза-ционного отжига образуется однородная мелкозернистая структура с не¬большой твердостью и значительной вязкостью.
Нормализация — более экономичный термический процесс, чем отжиг. Она более производительна и дает лучшие результаты. При нормализации измельчается зерно перлита разрушается сетка цементита в заэвтектоидных сталях и повышаются механические свойства стали. Некоторые специальные стали после нормализации, приобретают механические свойства, которыми они должны обла¬дать в условиях эксплуатации. В этих случаях нормализация слу¬жит окончательной операцией термической обработки.