Сплавы в машиностроении


А. А. Новиков, Д. А. Седых





                СПЛАВЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ





Учебное пособие



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 620.22:669
ББК 30.3+34.22
     Н73



Рецензенты:
кандидат технических наук, директор ООО ТФ «Омь» Шустер Яков Борисович; доктор технических наук, профессор кафедры автомобилей, конструкционных материалов и технологий Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета (СибАДИ) Акимов Валерий Викторович






    Новиков, А. А.
Н73 Сплавы в машиностроении : учебное пособие / А. А. Новиков, Д. А. Седых. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 124 с. : ил., табл.
           ISBN978-5-9729-1039-7

     Рассмотрены научные основы создания различных групп сталей. Изложены основные закономерности структуры, свойств материалов, легирования и обработки различных групп специальных сталей: строительных, коррозионностойких, жаропрочных, инструментальных.
     Для студентов, обучающихся по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов». Может быть полезно для магистрантов и аспирантов, обучающихся по специальностям, связанным с термической обработкой сплавов, литьем, сваркой, обработкой давлением.


УДК 620.22:669
ББК 30.3+34.22










ISBN 978-5-9729-1039-7

     © Новиков А. А., Седых Д. А., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ..................................................4

1.  СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА СПЛАВОВ...........................5
1.1. Общий обзор диаграмм состояния.......................8
1.2. Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов...............................14
1.3. Изменения структуры железоуглеродистых сплавов при охлаждении.22

2.  КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЕ СТАЛЕЙ...................27
2.1. Классификация сталей................................27
2.2. Маркировка сталей...................................30

3.  КОНСТРУКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ...............................42
3.1. Строительные стали..................................42
3.2. Цементуемыестали....................................45
3.3. Улучшаемые легированные стали.......................48
3.4. Износостойкиестали .................................57
3.5. Пружинныестали......................................64
3.6. Подшипниковыестали..................................69
3.7. Высокопрочныестали..................................72
3.8. Жаростойкие и жаропрочные стали.....................78
3.9. Коррозионностойкие стали............................84
3.10. Хладостойкие стали.................................92

4.  ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СПЛАВЫ..............................98
4.1. Быстрорежущиестали..................................98
4.2. Твердыесплавы......................................105
4.3. Штамповые стали....................................113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..............................................121

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................122


3

ВВЕДЕНИЕ


     Повышение качества материалов, расширение сортамента металлопродукции и экономия металлов являются основными задачами для материаловедов. Российская Федерация входит в десятку стран по производству стали, около 25 % от общего ее производства составляют низколегированные и легированные стали. Из них изготавливают наиболее ответственные детали и изделия. Стали различаются свойствами, технологией производства и обработки. Поэтому знание принципов, лежащих в основе разработки отдельных групп сталей и режимов их обработки, позволяет создавать наиболее экономнолегированные и эффективные стали, обеспечивающие высокую конструктивную прочность изделий.
     Основная задача учебного пособия - изложение принципов легирования и научных основ создания различных групп сталей с иллюстрацией этих закономерностей на примере сталей отдельных марок. В пособии рассмотрены стали и сплавы с особыми физическими свойствами.
     Дисциплина «Материаловедение сталей и сплавов» является базовой в подготовке специалистов в техническом направлении.
     В I-II частях пособия рассмотрены общие вопросы теории строения, свойств сплавов и их принципы маркировки, а в III-IV частях рассмотрены основные группы специальных сталей и сплавов.
     Все критические замечания и пожелания будут с благодарностью приняты авторами.

4

1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА СПЛАВОВ
     Сплавы - важные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких элементов Периодической системы Д. И. Менделеева, называемых компонентами. Сплавы также образуются при диффузии атомов металла или неметалла в поверхностный слой металлической детали. Сплав считается металлическим, если его основу (свыше 50 % по массе) составляют металлические компоненты. Металлические сплавы обладают более высокими прочностными и другими механическими свойствами по сравнению с чистыми металлами.
     В зависимости от природы сплавляемых компонентов сплавы, взаимодействуя друг с другом, могут образовать различные по строению и свойствам продукты. Характер взаимодействия компонентов при сплавлении зависит от их положения в таблице Д. И. Менделеева, особенностей строения электронных оболочек их атомов, типов и параметров их кристаллических решеток, соотношения температур их плавления, атомных диаметров и других факторов.
     Компоненты при сплавлении могут образовывать смеси зерен с пренебрежимо ничтожной взаимной растворимостью, неограниченно или частично растворяться друг в друге, а также образовывать химические соединения.
     Смесь образуется при взаимодействии компонентов, не способных к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступающих в химическую реакцию с образованием соединения (рис. 1.1). В этих условиях сплав состоит из чистых зерен обоих компонентов А и В, сохраняющих присущие им типы кристаллических решеток и прочностные свойства. Механические свойства таких сплавов зависят от количественного соотношения компонентов, размеров и формы зерен и соединения их границ.

5

Рис. 1.1. Микроструктура смеси (схема)

     Химическое соединение представляет собой зерна со специфической кристаллической решеткой, отличной от решеток обоих компонентов. При образовании химического соединения соотношение чисел атомов элементов соответствует стехиометрической пропорции, что выражается формулой AₙBₘ, - связь между атомами в них сильнее и жестче металлической.
     Поэтому они являются очень твердыми и хрупкими веществами. Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления и скачкообразным изменением свойств.
     Если химическое соединение образуется только металлическими элементами, то в узлах решеток располагаются положительно заряженные ионы, удерживаемые электронным газом, и возникает металлическая связь.
     При образовании химического соединения металла с неметаллом возникает ионная связь. В результате взаимодействия элементов в этом случае атом металла отдает электроны (валентные) и становится положительным ионом, а атом металлоида принимает электроны на свою внешнюю оболочку и становится отрицательным ионом. В решетке химического соединения такого типа элементы удерживаются электростатическим притяжением.

6

     Если образующиеся в сплавах химические соединения оказываются стойкими веществами, недиссоциирующими при нагреве вплоть до температуры плавления, и имеют широкую область существования, то их принято рассматривать в качестве самостоятельных компонентов, способных образовывать твердые растворы с компонентами сплава.
     Твердый раствор образуется при растворении компонентов друг в друге, является однофазным, состоит из одного вида кристаллов, имеет одну кристаллическую решетку и существует в интервале концентраций. Обозначаются твердые растворы буквами греческого алфавита: а, 0, у и т. д.
     При образовании твердого раствора сохраняется решетка одного из компонентов. В этом случае компонент называется растворителем.
     Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние размеры элементарной ячейки растворителя. Если атомы растворенного компонента В замещают в узлах решетки атомы компонента-растворителя А, то образующийся раствор называется твердым раствором замещения (рис. 1.2, а, б). Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные. Неограниченные твердые растворы образуются, если компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку и одинаковый атомный радиус. Ограниченные твердые растворы образуются, если компоненты имеют одинаковую кристаллическую решетку, а атомные радиусы разнятся.
     При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного вещества С располагаются между атомами А в кристаллической решетке растворителя. Следовательно, диаметр атома С должен быть невелик, а внутри решетки металла А должно быть достаточное пространство для атома С (рис. 1.2, в). Искажения решетки при образовании твердых растворов внедрения больше, чем при образовании твердых растворов замещения, поэтому у них более резко изменяются свойства.
     Образование твердых растворов сопровождается увеличением твердости и прочности, уменьшением температурного коэффициента электри


7

ческого сопротивления, пластичности (исключение составляют твердые растворы на основе меди) по сравнению с чистыми металлами.


Рис. 1.2. Схемы образования: а - неограниченного; б - ограниченного твердых растворов замещения;

в - твердого раствора внедрения


     В сплавах, содержащих более двух элементов, возможно растворение в одном и том же растворителе и путем замещения, и путем внедрения. Например, при сплавлении железа с марганцем и углеродом получается твердый раствор, в котором марганец растворяется путем замещения, а углерод - путем внедрения.



            1.1. Общий обзор диаграмм состояния


     Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описывают с помощью диаграмм фазового равновесия, которые в удобной графической форме показывают фазовый состав и структуру в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы построены для условий равновесия; равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии.
     Для построения диаграммы состояния используют термический анализ, разработанный Н. С. Курнаковым. Экспериментально получают кривые охлаждения отдельных сплавов и по их перегибам или остановкам, связанным с тепловыми эффектами превращений, определяют температуру соответствующих превращений. Эти температуры называют критическими точками.


8

     Диаграмма состояний разделена линиями на области. Отдельные области могут состоять только из одной фазы, а некоторые - из двух, имеющих разные составы, строение и свойства.
     Фазой называется однородная часть системы, образованная компонентами сплава, которая во всех своих точках имеет одинаковые составы, строение и свойства. Жидкая фаза представляет собой раствор расплавленных компонентов. Твердые фазы являются зернами, имеющими определенную форму, размер, состав, структуру и свойства. Это могут быть твердые растворы, химические соединения, зерна чистых компонентов, не образующих с другими компонентами ни твёрдых растворов, ни химических соединений. Форма проявления фаз называется структурой сплава.
     Анализируя диаграмму состояния, можно составить представление о специфике свойств сплавов данной системы компонентов и характере их изменений в зависимости от состава, а также о возможности термической обработки сплавов и температуре нагрева для ее проведения.
     Как известно, вид диаграммы состояния зависит от характера взаимодействия компонентов в жидком и твердом состояниях, возможности образования устойчивых и неустойчивых химических соединений, протекания тех или иных нонвариантных превращений.
     Различные варианты простейших (или типовых) диаграмм состояний, как диаграмм равновесия систем безымянных компонентов А и В, приведены ниже.
     1.     Диаграмма состояния для сплавов, образующих смеси из чистых компонентов.
     Общий вид диаграммы для случая, когда оба компонента сплава в жидком состоянии неограниченно растворимы, а в твердом - не растворяются, не образуют химических соединений и не имеют полиморфных превращений, представлен на рис. 1.3, а. Фазы: жидкость - Ж, чистые компоненты - А и В. Линия АСВ - линия ликвидус; линия ДСЕ - линия солидус. На линии АС начинают выделяться кристаллы А; на линии СВ - кристаллы В; на линии ДСЕ из жидкости концентрации С одновременно выделяются кристаллы А и В. Эвтектическая смесь двух видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкости, называется эвтектикой.

9

Рис. 1.3. Простейшие (типовые) диаграммы состояния сплавов

10

     2.      Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии.
     На рис. 1.3, б приведена диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге в жидком и твердом состоянии, имеющих одинаковые типы решеток, небольшую разницу атомных радиусов (до 10-12 %) и сходное строение наружных электронных оболочек, т. е. близость химической природы металлов.
     Линия АМВ - линия ликвидус; линия ANB - линия солидус; фаза а представляет собой неограниченный твёрдый раствор замещения компонентов А и В, зерна этой фазы имеют единую кристаллическую решетку, но у сплавов разного состава число атомов компонентов А и В в элементарных ячейках решетки различно.
     3.      Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии, с эвтектикой.
     На рис 1.3, в приведена диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью компонентов друг в друге в твердом состоянии, с эвтектическим превращением. Ограниченные твердые растворы на основе компонентов А и В образуются, когда последние заметно отличаются строением и размером атомов, кристаллической структурой и физикомеханическими свойствами. Ограниченные твердые растворы могут образовываться по типу замещения и внедрения.
     Линия АСВ - линия ликвидус; линия ADCEB - линия солидус; фаза а является твердым раствором компонента В в кристаллической решетке компонента А; фаза 0 представляет собой твёрдый раствор компонента А в кристаллической решетке компонента В. Кривые DM и EN - линии ограниченной растворимости в твердом состоянии (сольвус), отражающие характер изменения растворимости компонентов друг в друге в зависимости от температуры. Растворимость компонента В в компоненте А уменьшается с понижением температуры (линия DM). Растворимость компонента А в компоненте В не зависит от температуры (линия EN).

11