Коррозионностойкие нержавеющие стали и сплавы

Коррозией называют разрушение металлов под действием окружающей среды.

При этом металлы часто покрываются продуктами коррозии. В результате воздействия внешней среды механические свойства металлов резко ухудшаются, иногда даже при отсутствии видимого изменения внешнего вида изделий.

Различают химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (нефть), и электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов (кислот, щелочей, солей). К электрохимической коррозии относятся так же атмосферная и почвенная коррозия.

Электрохимическая коррозия развивается в результате работы большого числа короткозамкнутых гальванических элементов, образующихся вследствие неоднородности металла (наличия различных фаз, границ зерен, включений и т.д.) или внешней среды (различная концентрация ионов в электролите, разные температуры и т.д.). Коррозия (растворение металлов) происходит в основном на анодных участках поверхности.

Существует несколько видов электрохимической коррозии. Если металл однороден (например, твердый раствор), то наблюдается равномерная коррозия, протекающая примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности металла. В неоднородном металле коррозия носит локальный характер и охватывает только некоторые участки поверхности. Эту локальную коррозию подразделяют на точечную, пятнистую, и с язвами (питтингами). Очаги пятнистой и точечной коррозии являются концентраторами напряжений. Питтинговая коррозия весьма опасна, т. к. при малых потерях массы на металле возникают глубокие местные поражения, которые могут привести к сквозным дефектам.

Наиболее опасна интеркристаллитная коррозия, распространяющая по границам зерен. При этом резко снижаются механические свойства. Сталь, пораженная интеркристаллитной коррозией, теряет металлический звук и при изгибе дает надрывы по границам зерен в местах коррозионного разрушения металла.

Различают коррозию под напряжением, которая возникает при одновременном действии коррозионной среды и напряжений растяжения. При этом разрушение происходит вследствие образования и быстрого продвижения трещины без заметной пластической деформации при напряжениях ниже временного сопротивления разрыву. Разновидностью этой коррозии является коррозионное растрескивание, т. е. образование в металле тонкой сетки трещин при воздействии коррозионной среды и напряжений.

Сталь, устойчивую против газовой коррозии при высоких температурах (свыше 55⁰С) называют жаростойкой (окалиностойкой). Стали, устойчивые против электрохимической коррозии, называют коррозионностойкими (нержавеющими).

Повышение устойчивости стали против коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и наружной агрессивной средой.

Повышение окалиностойкости достигается введением в сталь хрома, алюминия, кремния, т.е. элементов, растворяющихся в железе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr, Fe)₂O₃ , (Al, Fe)₂O₃. Введение в сталь Cr в количестве 5-8% повышают окалиностойкость до 700-750^о С(15Х5), увеличение содержания Cr до 15-17% делает сталь окалиностойкой до 950-1000^оС (например, 12Х17), а при содержании 25% Cr сталь остается окалиностойкой до 1100^оС (36Х18Н25С2). Причем, жаростойкость, в отличие от коррозионной стойкости зависит только от химического состава стали, а не от структуры.

Стали, устойчивые против электрохимической коррозии (ГОСТ 5632-72) можно разделить на 2 класса: хромистые, имеющие после охлаждения на воздухе ферритную или мартенситную структуру, и хромоникелевые с аустенитной структурой.

Хромистые коррозионностойкие стали (ферритные – 08Х13; 15Х25Т, 15Х28). Введение 2-13% Cr делает сталь устойчивой против коррозии на воздухе, в морской и пресной воде и некоторых кислотах. При увеличении содержания Cr выше15%, сталь приобретает устойчивость против коррозии в окислительных средах, в том числе в HNO₃.

Широко применяют хромистые стали (12-14 и 17-28% Cr), содержащие 0,12 – 0,15% углерода. Увеличение содержания углерода ухудшает коррозионную стойкость, т. К. ведет к образованию вместо оксидов (Cr, Fe)₂O₃, карбидов хрома – Cr₇C₃, Cr₂₃C₆.

Коррозионная стойкость повышается термической обработкой и созданием шлифованной и полированной поверхности. Используются такие стали для изготовления хирургических инструментов, для оборудования заводов легкой и пищевой промышленности.

Недостатком ферритных сталей является то, что возникающее при перегреве крупное зерно (например, при сварке) не может быть устранено термической обработкой.

Аустенитные (хромоникелевые) корозионностойкие стали 12Х18Н9. Фазовый

состав таких сталей (0,12%С, 17-19% Cr, 8-10% Ni) в равновесном состоянии – аустенит + карбиды (Cr, Fe)₂₃C₆ + феррит.

Хромоникелевые корозионностойкие стали подвергают закалке с температуры 1100-1150^оС в воде, для получения однофазной аустенитной структуры.

В закаленном состоянии эти стали обладают наибольшей устойчивостью против коррозии. Они полностью устойчивы в пресной и морской воде, в органических, а также в азотной и серной кислотах и ряде других сред.

Закаленная сталь с аустенитной структурой имеет сравнительно невысокую прочность, пониженный предел текучести и большую пластичность ( = 550-580 Мпа, = 200-220 Мпа, = 40-45%, = 55-60%). Закаленная сталь легко штампуется и хорошо сваривается. Прочность стали повышается холодной деформацией до = 1200- 1300 Мпа, при этом пластичность понижается ( = 5%).

При нагреве аустенитной стали до 500- 700^оС из аустенита по границам зерен выделяются карбиды хрома. Поэтому концентрация Cr в твердом растворе становится меньше 12%. А это резко понижает сопротивление коррозии. Сталь приобретает склонность к межкристаллитной коррозии. Межкристаллитную коррозию можно предотвратить введением сильных карбидообразующих элементов – титана (в количестве 5хС = 0,7%, где С – содержание углерода в стали). Титан связывает углерод в стойкие карбиды TiC, что исключает возможность образования карбидов хрома и снижение его концентрации в аустените.

Высокое сопротивление межкристаллитной коррозии, хорошую пластичность и свариваемость имеют низкоуглеродистые стали 04Х18Н10 и 03Х18Н12Т, предназначенные для изготовления химической аппаратуры.

Нашли применение аустенитные стали 15Х17АГ14, 12Х17Г9АН14, в которых никель заменен марганцем и азотом (0,15-0,4% N); Mn и N стабилизируют аустенит.

Аустенитно- маргенситные коррозионностойкие стали: 09Х15Н8Ю ( 0,09% С; 14-16% Cr, 7-9 % Ni, 0,7- 1,3% Al). Эти стали наряду с хорошей устойчивостью против атмосферной коррозии обладают высокими механическими свойствами.

Аустенитно- ферритные коррозионностойкие стали: 08Х22Н6Т, 03Х23Н6, 08Х21Н6М2Т. Эти стали обладают высокими механическими свойствами, хорошей оррозиионной стойкостью в окислительных и окислительно-восстановительных средах, хорошей сопротивляемостью интеркристаллитной коррозии, и содержат меньше дорогостоящего Ni.

Инструментальные стали

По назначению инструментальные стали делятся на стали для режущего, измерительного, штамповочного инструмента. Кроме сталей, для изготовления режущего инструмента применяют металлокерамические твердые сплавы и минералокерамические материалы. Режущий инструмент работает в сложных условиях, подвержен интенсивному износу, при работе часто нагревается. Поэтому материал для его изготовления должен обладать высокой твердостью поверхности, износостройкостью и теплостойкостью. Теплостойкость – это способность сохранять высокую твердость и ружущие свойства при длительном нагреве.

Углеродистые инструментальные стали содержат 0,7-1,3% углерода. Они маркируются букой У и цифрой, показывающее содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8,У9,…У13). Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная (У7А, У8А). Высококачественные стали менее хрупки, лучше противостоят ударным нагрузкам, дают при закалке меньше брака. Из этих сталей делают столярные и слесарные инструменты, ножницы, зубила по каменным породам, хирургический инструмент, пилы по металлу и т.д.

Низколегированные стали содержат в сумме 1-3% легирующих элементов (Cr, Si, V, W).Маркируются они так же, как и конструкционные, но содержание углерода дается в десятых долях процента (9ХС, ХВГ, ХВ5). Они обладают повышенной прокаливаемостью, по сравнению с углеродистыми сталями. Благодаря этому из нее делают инструменты большой длины и крупного сечения (сверла, измерительные инструменты).

Порошковые твердые сплавы представляют собой спеченные порошковые материалы, основой которых служат карбиды тугоплавких металлов, а связующим – кобальт. Твердые сплавы делятся на три группы. Вольфрамовые изготовляются на основе карбида вольфрама и кобальта (от 15 до 3%). Маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в % (ВК2, ВК6, ВК10). С уменьшением размера зерна карбидов возрастает износостойкость, но нескольно снижается прочность. Марки сплавов с мелким зерном обозначаются ВК3-М, ВК6-М. Титановольфрамовые твердые сплавы содержат дополнительно карбид титана. Они маркируются буквами Т, К и цифрами, обозначающими содержание карбида титана и кобальта в процентах (например, Т15К10, Т15К6). Эти материалы применяются для высокоскоростной обработки сталей. Титанотанталовольфрамовые сплавы содержат дополнительно карбид тантала. Маркируются буквами ТТ, после которых указывается суммарное содержание карбидов титана и тантала в %, и буквой К, после которой указывается содержание кобальта (ТТ7К12). Применяются при тяжелых условиях резания.

Вольфрам – дорогой элемент. Поэтому созданы безвольфрамовые твердые сплавы. В них в качестве основы используется карбид титана, а связующими являются никель и молибден. Маркируются эти сплавы буквами КТС и ТН. По прочности, твердости, износостойкости и режущим свойствам эти сплавы находятся на уровне вольфрамосодержащих.

Минералокерамические и сверхтвердые материалы. Минералокерамика не содержит дефицитных и дорогостоящих элементов. Она состоит из оксида алюминия с небольшими добавками оксида магния – оксидная (белая) керамика (микролит ЦМ-332); из оксида алюминия и карбидов и оксидов тугоплавких металлов (TiC, ZrO₂ и др.) – оксидно-карбидная (черная) керамика; нитрида кремния Si₃N₄ с добавкой тугоплавких оксидов - оксинитридная керамика. По твердости (90-95HRA), тепло- и износостойкости минералокерамические материалы превосходят твердые сплавы.

Новые сверхтвердые инструментальные материалы для оснащения рабочей части металлорежущего инструмента – эльборы (поликристаллы кубического нитрида бора) и алмазы.

Штамповочные стали

Штамповочные стали – стали для инструментальной обработки металлов давлением, должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, прочностью, вязкостью, теплостойкостью.

При небольших ударных нагрузках для штампов холодного деформирования подойдут углеродистые стали У10-У12 и низколегированные стали 9ХС, ХВГ, ХВСГ. Для изготовления крупного инструмента сложной формы используются высокохромистые стали с 12% хрома (Х12, Х12М, Х12Ф1).

Стали для инструментов горячей обработки давлением работают в тяжелых условиях, испытывая ударную нагрузку в сочетании с нагревом и охлаждением. Они должны обладать высокой прочностью, износостойкостью, вязкостью, теплостойкостью и окалиностойкостью. Стали для крупных инструментов должны хорошо прокаливаться. Поэтому для инструментов горячего деформирования используются легированные стали, содержащие 0,3-0,6% углерода (5ХНМ, 5ХГМ, 3Х2В8Ф, 4Х5МФС и др.).

 

КОНТРОЛЬНЫЕ Вопросы

 

1. Что такое конструкционная прочность?
2. Как выбирают критерии прочности?
3. Чем определяются технологические требования к конструкционным материалам?
4. Какие критерии конструкционной прочности характеризуют работоспособность материала в условиях эксплуатации?
5. Какие методы повышения конструкционной прочности вы знаете?
6. Увеличение плотности дислокаций, создание дислокационных барьеров в виде зерен, субзерен (измельчение зерна), образование полей упругих напряжений, искажающих кристаллическую решетку (точечные дефекты – вакансии, примесные атомы, легирующие элементы) относят к методам повышения: а) прочности б) надежности в) циклической долговечности г) износостойкости
7. Легирование, измельчение зерна, повышение металлургического качества металла относят к методам повышения:

а) прочности … б) надежности в) циклической прочности г) износостойкости

1. Надежность оценивается с помощью критериев: а) пластичности (δ,ψ) б) ударной вязкости (КС) в) трещиностойкости (К_1С-вязкость разрушения) г) упругости д) хладноломкости
2. Технологичность не оценивается: а) обрабатываемостью резанием, б) обрабатываемостью давлением, в) трещиностойкостью г) свариваемостью, д) способностью к литью, е) прокаливаемостью, ж) склонностью к деформации и короблению при термической обработке
3. Методами повышения жаропрочности не являются: а) повышение прочности межатомных связей, б) создание препятствий для перемещения дислокаций внутри зерен и на их границах, в) уменьшение размеров зерен г) увеличение размеров зерен
4. Деформация ползучести развивается благодаря: а) увеличению плотности дислокаций б) перемещению дислокаций в зернах в) диффузионному переносу г) зернограничному скольжению
5. Прочность межатомных связей не увеличивают: а) легированием б) изменением структуры кристаллической решетки в) переходом от металлической связи к ковалентной г) переходом от ковалентной связи к металлической
6. Износостойкость повышается: а) наклепом б) образованием крупнозернистой структуры в) легированием с образованием твердых растворов г) образованием специальных карбидов д) закалкой на мартенсит
7. К методам поверхностного упрочнения относятся: а) наклеп б) азотирование в) цементация г) диффузионный отжиг
8. Закалка, химико-термическая обработка, поверхностное деформирование относят к методам повышения:

а) прочности б) надежности в) циклической долговечности г) износостойкости

16. Что такое коррозия?

17. Какие виды коррозии вы знаете?

18. Назовите виды электрохимической коррозии.

19. Какие стали называют жаростойкими? Коррозионностойкими?

20. Какими приемами можно повысить коррозионную стойкость сталей?

Терминологический словарь

Азотирование стали – технологический процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей.

Аморфные металлические сплавы (АМС) или металлические стекла -материалы с аморфной структурой, полученные при затвердевании металла при сверхвысоких скоростях охлаждения из жидкого состояния. Диффузионных процессы настолько замедляются, что подавляется образования зародышей и рост кристаллов.

Аморфные тела – твердые тела, которыепри нагреве размягчаются в большом температурноминтервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние.

Анизотропия – это зависимость свойств кристалла от направления, возникающее в результате упорядоченного расположения атомов (ионов, молекул) в пространстве.

Атмосфера Коттрелла - зона повышенной концентрации примесных атомов вокруг дислокаций, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.

Аустенит (А или γ) - твердый раствор внедрения углерода в Fеγ.

Аустенитные стали – твердые растворы, сплавы железа c Ni, Mn, Co в которых становится устойчивой ГЦК – решетка аустенита (Fe_α) при tº=20-25ºC.

Большеугловые границы между зернами - поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно и границы между зернами представляют собой переходный слой шириной 1—5 нм. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей, а соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы в десятки градусов.

Вакансия - пустой узел кристаллической решетки.

Вектор Бюргерса – мера искажения кристаллической решетки, вектор, который нужен для замыкания контура в кристалле (внутри которого расположена дислокация).

Возврат – все изменения тонкой структуры и свойств при деформации металла, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, то есть размер и форма зерен не изменяются.

Временное сопротивление характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению.

Вторичная кристаллизация - образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе.

Вторичная рекристаллизация – стадия неравномерного роста одних зерен, по сравнению с другими.

Выносливость -свойство противостоять усталости.

ГП-решетка - гексагональная плотноупакованнаярешетка.

Гравитационная ликвация - химическая неоднородность, которая образуется в результате разницы в плотности твердой и жидкой фаз при затвердевании. В зависимости от того, легче или тяжелее твердая фаза по сравнению с жидкой, она при кристаллизации всплывает на поверхность или опускается на дно отливки (Sb-Sn, Cu-Pb).

Графит – углерод, выделяющийся в Fе-С – сплавах в свободном состоянии.

ГЦК- решетка - гранецентрическая кубическая решетка.

Дендритная ликвация - химическая неоднородность, которая характеризуется неодинаковым химическим составом по сечению зерна. Центр зерна обогащен более тугоплавким элементом.

Дефект упаковки -часть атомной плоскости кристаллической решетки, ограниченной дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоев. Это как бы тонкая пластинка другой решетки (например, ГП в ГЦК - решетке).

Деформация -изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий.

Динамический возврат - разупрочнение монокристалла или поликристалла, при деформировании, за счет того, что некоторые дислокации уничтожают друг друга.

Дисперсионно-упрочненные материалы - материалы с многофазной структурой, получаемой термической обработкой.

Диффузионный отжиг – длительная выдержка сплавов при высоких температурах, в результате которых снижается ликвационная неоднородность твердого раствора. При высоких температурах протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллизации.

Диффузия – перенос вещества, обусловленный беспорядочным тепловым движением диффундирующих частиц.

Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса).

Жаропрочностью называется способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению, когда рабочие температуры деталей превышают 0,3 t_пл.

Жаростойкая сталь - сталь, устойчивая против газовой коррозии при высоких температурах (свыше 55⁰С).

Жаростойкость - это способность материала противостоять химической коррозии в атмосфере сухих газов при повышенной температуре.

Закаливаемость - определяется твердостью поверхности закаленной детали и зависит, главным образом, от содержания углерода в стали.

Закалка – термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры можно получить только в том случае, если в сплавах имеются превращения в твёрдом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твёрдых растворов, распад высокотемпературного твёрдого раствора по эвтектоидной реакции. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твёрдом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении.

Зональная ликвация - химическая неоднородность по отдельным зонам слитка. Она отрицательно влияет на механические свойства. Например, в стальных слитках по направлению от поверхности к центру и снизу вверх увеличивается концентрация углерода и вредных примесей – серы и фосфора.

Зоны Гинье-Престона - субмикроскопические объемы твёрдого раствора с резко повышенной концентрацией растворенного компонента, сохраняющие решётку растворителя в котором они образовались в результате старения сплава. Скопление растворённых атомов вызывает местное изменение периода кристаллической решётки растворителя. Зоны Гинье-Престона затрудняют движение дислокаций.

Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения.

Износ -результат изнашивания. Его определяют по изменению размеров, уменьшению объема или массы.

Износостойкость – свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию.

Ионные кристаллы - сложные кристаллы, состоящие из элементов различной валентности, с ионным типом связи. В узлах ионного кристалла располагаются ионы, т.к. между элементами происходит перераспределение электронов: электроположительный элемент теряет валентные электроны, а электроотрицательный – приобретает их.

Ковалентные кристаллы – это кристаллы, в которых преобладает ковалентный тип связи. Их образуют элементы IV, V, VI групп, подгруппы В(II) Периодической системы элементов (ПСЭ): углерод, кремний, германий, сурьма, висмут и др.

Конструкционная прочность – комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации. Комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, жесткости, надежности и долговечности.

Координационное число К - число ближайших равноудаленных частиц от любой частицы кристаллической решетки.

Коррозионная стойкость - это способность материала противостоять электрохимической коррозии при наличии жидкой среды на поверхности металла.

Коррозионностойкая сталь (нержавеющая) - сталь, устойчивая против электрохимической коррозии.

Коррозия - разрушение металлов под действием окружающей среды.

Коррозия химическая – коррозия, протекающая при воздействии на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (нефть).

Коррозия электрохимическая -коррозия, вызываемая действием электролитов (кислот, щелочей, солей).

Коэффициент компактности - отношение объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки.

Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишней» полуплоскости в кристаллической решетке.

Кристаллическая решетка -последовательное перемещение элементарной ячейки параллельно координатным плоскостям.

Кристаллические тела – твердые тела, которыеостаются твердыми, т.е. сохраняют приданную им форму до вполне определенной температуры (t плавления), при которой они сразу переходят в жидкое состояние.

Легированные стали – стали, содержащие добавки других элементов, помимо железа, углерода и постоянных примесей.

Ледебурит – железоуглеродный эвтектический сплав, смесь перлита и цементита (4.3% углерода). Цементит образует сплошную матрицу, в которой располагаются колонии перлита.

Линия ликвидус – геометрическое место всех точек, которые определяют t° начала кристаллизации сплавов (ликва – жидкость (латинский).

Линия солидус – геометрическое место всех точек, определяющих t° конца кристаллизации сплавов (солид – твёрдый).

Макроструктура - изучение характера излома, усадочных раковин, пор, размеров и формы крупных кристаллов, волокнистости, трещинноватости, химической неоднородности с помощью лупы или невооруженным глазом.

Малоугловые границы между зернами - каждое зерно состоит из субзерен. Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения, а его границы - стенки дислокаций, которые разделяют зерно на субзерна. Угол между соседними зернами невелик, поэтому такие границы называют малоугловыми. Здесь также накапливаются примеси.

Мартенсит – неравновесная фаза, пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe_α.

Мартенситное превращение аустенита – бездиффузионный процесс распада переохлажденного аустенита, фазовое превращение, происходящее в стали при медленном охлаждении из аустенитного состояния. Состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные.

Межузельный атом - атом, перемещенный из узла в позицию между узлами.

Металлические кристаллы -кристаллы, в которых преобладает металлический тип связи. Их образуют элементы всех подгрупп А(I) и I – III подгрупп В(II). В металлическом кристалле при взаимодействии с элементами других групп атомы легко отдают свои валентные электроны и превращаются в положительные ионы.

Метастабильные фазы - имеют иную пространственную решётку, чем твёрдый раствор, в котором они образовались в результате старения сплава, однако существует сходство в расположении атомов в определённых атомных плоскостях их решёток, что вызывает образование когерентной границы раздела, которая искажает кристаллические решётки.

Механические свойства -характеризуют поведение материала под действием внешней нагрузки.

Микроструктура - изучается с помощью оптического или электронного микроскопа мелких кристалликов или зерен.

Мнимоизотропные поликристаллические тела -природные поликристаллы, состоящие из множества мелких различно ориентированных кристаллов. В этом случае анизотропии нет, т.к. среднестатистическое расстояние между атомами по всем направлениям оказываются примерно одинаковым.

Модифицирование -технологическая операция, вызывающая измельчение структуры при затвердевании металла. Она состоит во введении в жидкий сплав перед разливкой специальных добавок- модификаторов (0.001-0.9%). Способствует улучшению механических свойств металла.

Модуль упругости первого рода Е - тангенс угла наклона прямолинейного участка диаграммы растяжения стандартного образца в координатах нагрузка – удлинение.

Молекулярные кристаллы – кристаллы, в которых преобладает молекулярная связь, возникающая между любыми частицами (ионами, атомами, молекулами). Их образуют инертные газы, кристаллы двухатомных газов H₂, N₂, Cl₂ (при очень низких температурах), кристаллы I₂, H₂O, CO₂, CH₄ и др. органических веществ (при н.у.).

Надежность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению.

Наклеп -упрочнение металла при деформировании.

Нанокристаллические материалы – материалы с размерами кристаллов менее 100 нанометров.

Несамопроизвольная кристаллизация – рост кристаллов на имеющихся готовых центрах кристаллизации.

Нитроцементация - насыщение поверхности стали одновременно углеродом и азотом.

Ограниченный предел выносливости - напряжение σ _K, которое может выдержать материал в течение определенного числа циклов (N_K). Наклонный участок кривой усталости.

Отдых – стадия возврата, при деформации металла, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий. Отдых уменьшает удельное электросопротивление и повышает плотность металла. Твердость и прочность уменьшаются на 10-15% и увеличивается пластичность. После отдыха повышается сопротивление коррозионному растрескиванию.

Отжиг – термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной: отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений.

Отпуск – термическая обработка, в результате которой в предварительно закалённых сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной. Используют применительно к сталям и сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение (Al-бронзы, Ti-сплавы, ферритные стали).

ОЦК-решетка – объемно-центрическая кубическая решетка.

Первичная кристаллизация - переход материала из жидкого или парообразного состояния с образованием кристаллической структуры.

Первичная рекристаллизация, происходящая при деформации металла начинается с образования зародышей новых зерен а заканчивается полным замещением наклепанного металла новой поликристаллической структурой.

Периоды решетки - отрезки а, в, с, отсекаемые плоскостями, параллельными координатным плоскостям, и разбивающие кристалл на элементарные ячейки. Определяют размеры элементарной ячейки.

Перитектический сплав - сплав называют от греческого пери - вокруг. После предварительного выделения β-кристаллов из жидкой фазы, сплав при t°=t_n испытывает перитектическое превращение, в результате которого жидкая фаза Ж_D и твёрдая фаза β_F, взаимодействуя между собой, образует новую твёрдую фазу α_с: Ж_D+β_F↔ α_с. Количество фаз Ж_D и β_F, необходимое для образования фазы α_с определяется соотношением отрезков: α_E/β_F = |FС|/|CD|.

Перитектическое превращение – превращение, в результате которого жидкая фаза Ж_D и твёрдая фаза β_F, взаимодействуя между собой, образует новую твёрдую фазу α_с: Ж_D+β_F↔ α_с.

Перлит – эвтектоидный сплав феррита и цементита (0.8% углерода), структурная составляющая железо-углеродных сплавов, имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей.

Перлитное превращение аустенита -диффузионный изотермический процесс распада переохлажденного аустенита. В интервале температур перлитного превращения в результате распада аустенита образуются пластинчатые структуры перлитного типа (из кристаллов феррита и цементита). Полиморфный переход γ→α сопровождается перераспределением углерода на расстояния, значительно больше межатомных, т.к. среднее содержание углерода в твердом растворе до превращения меньше, чем в цементите (6,69% С).

Плавление – это процесс, обратный кристаллизации, происходит при температуре, выше равновесной (при перегреве).

Пластичность - способность металлов пластически деформироваться.

Пластичность - характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением φ.

Плотность дислокаций – суммарная величина всех линий дислокаций в единице объема, выраженная в см на см³ (см^-2).

Ползучесть – медленное нарастание пластической деформации под действием напряжений, меньших предела текучести (σ_0,2).

Полигонизация – процесс формирования субзерен при деформации металла, разделённых малоугловыми границами. Эти субзерна практически не содержат дислокаций. Уменьшается плотность дислокаций за счет взаимоуничтожения дислокаций противоположных знаков.

Полигонизация предкристаллизационная - начальная стадия первичной рекристаллизации.

Полигонизация стабилизирующая - представляет собой формирование субзерен, разделенных плоскими дислокационными стенками. Стенки малоподвижны и весьма устойчивы, при дальнейшем нагреве они сохраняются практически до температуры плавления. После формирования субзеренной структуры рекристаллизация не происходит.

Полиморфизм – способность элемента иметь разные типы кристаллических структур в твердом состоянии при различных температурах (или давлениях). Эти кристаллические структуры называют аллотропическими формами или модификациями.

Порог хладноломкости - температура или интервал температур, в котором происходит снижение ударной вязкости.

Правило концентраций (определение состава фаз)- для определения концентрации компонентов в двух фазах через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими эту область. Проекции точек пересечения а и b на горизонтальную ось диаграммы покажут составы фаз X_а и X_b.

Правило отрезков (количественное соотношение фаз)- отрезки коноды между точкой с и точками а и b, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз: Ж_а/α_b = |bc|/|ac|.

Превращение изотермическое – превращение, происходящее при постоянной температуре.

Предел длительной прочности - напряжение, которое вызывает разрушение материала при заданной температуре за определенное время.

Предел ползучести – напряжение, под действием которого материал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре.

Предел упругости σ _упр - напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения, установленного условиями. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают σ _0,005, σ _0,02, σ _0,05. Предел упругости - важная характеристика пружинных материалов, которые используют для упругих приборов и машин.

Прокаливаемость - способность стали закаливаться на определенную глубину. Условились при оценке прокаливаемости закаленными считать слои, в которых содержится не менее 50% мартенсита (полумартенситная зона).

Промежуточная фаза – кристалл, образованный различными элементами ив которомобразуется новый тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток элементов, его образующих.

Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита -Бейнит – двухфазная смесь феррита и цементита. Но полиморфный переход происходит по мартенситному механизму. Превращение начинается с перераспределения углерода, в результате которого одни зоны зерен обедняются, а другие – обогащаются углеродом. В обедненных зонах γ-твердого раствора повышается температура мартенситного превращения. Поэтому происходит оно в первую очередь там. В зонах твердого раствора, обогащенного углеродом протекает карбидообразование – выделение очень мелких кристаллов цементита.

Равновесная температура кристаллизации - температура, при которой термодинамические потенциалы вещества в твердом и жидком состоянии равны.

Размерный фактор - если атомные радиусы растворителя А и растворенного элемента В отличаются не более чем на 15%, возможно замещение атомов и возникновение твердого раствора замещения; в твердых растворах внедрения размер межузельного атома должен быть несколько больше размера поры.

Рекристализационный отжиг – технологическая операция, заключающаяся в нагреве деформированных полуфабрикатов выше температуры рекристаллизации. В процессе выдержки происходит главным образом рекристаллизация.

Самопроизвольная кристаллизация - самопроизвольное зарождение кристаллов.

Силы отталкивания в кристалле - силы, которые образуются в результате взаимодействия положительно заряженных ядер соседних атомов при их сближении.

Силы притяжения в кристалле – силы, возникающие благодаря взаимодействию электронов с положительно заряженным ядром собственного атома, а также с положительно заряженными ядрами соседних атомов.

Скорость ползучести – скорость развития пластической деформации при постоянном (ниже предела текучести) напряжении.

Собирательная рекристаллизация – самопроизвольный процесс укрупнения зерен, образовавшихся на стадии первичной рекристаллизации происходящей при деформации металла.

Сплав – промышленный материал, содержащий несколько элементов.

Старение - термическая обработка, в результате которой в предварительно закалённых сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной. Используют применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения (Al-сплавы, Ni-сплавы, аустенитные стали).

Старение естественное – старение, происходящее в сплавах на основе низкоплавких металлов при 20-25⁰ С.

Старение искусственное – термическая обработка, старение, происходящее в сплавах при повышенной температуре.

Степень переохлаждения ΔТ - разница между равновесной Т _К и реальной температурой кристаллизации Т.

Стоимостные свойства - это экономичность использования материала. Количественным показателем стоимости является оптовая цена.

Структура -детали строения кристаллов, пространственное расположение частиц в кристалле.

Твердость- это способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность твердого тела – индентора.

Твердые растворы внедрения - твердые растворы, в которых атомы растворенного элемента B размещаются в кристаллической решетке растворителя – элемента А, внедряясь между узлами. Твердые растворы внедрения возникают при сплавлении переходных металлов с неметаллами, имеющими малый атомный радиус – H, N, C, B.

Твердые растворы замещения – твердые растворы, в которых атомы растворенного элемента B размещаются в кристаллической решетке растворителя – элемента А, замещая атомы в узлах решетки. В твердых растворах атомы растворенного вещества, как правило, распределяются в решетке растворителя статистически (с некоторой долей вероятности).

Твердый раствор -кристалл, в котором сохраняется тип кристаллической решетки элемента-растворителя.

Текстура рекристаллизации - предпочтительная кристаллографическая ориентация зерен, вызывающая анизотропию у поликристалла, подвергшегося деформации.

Текстурированные кристаллы – поликристаллы, которые подверглись обработке давлением. В этом случае кристаллографические плоскости одного индекса в различных зернах могут ориентироваться параллельно. Такие кристаллы, подобно монокристаллам, анизотропны.

Тепловое расширение (α) – это изменение объема (линейных размеров тела) при повышении температуры и постоянном давлении.

Теплоемкость – способность вещества поглощать теплоту при нагреве.

Теплопроводность - перенос тепловой энергии в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности частиц. Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала. Теплота в твердых телах переносится электронами и фононами.

Термическая обработка -технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств.

Технологичность материала - пригодность его для изготовления деталей машин требуемого качества при минимальных трудовых затратах.

Тонкая структура – описывает расположение частиц в кристалле и электронов в атоме, изучается дифракционными методами.

Точка Курнакова (q_к) -температура, при которой твердый раствор полностью разупорядочивается.

Трещиностойкость – это группа параметров надежности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.

Ударная вязкость КС - работа К, затраченная на разрушение стандартного образца материала: КС = К/S ₀^´. S ₀^´- площадь поперечного сечения образца в месте надреза. Единица измерения ударной вязкости - – мегаджоуль на 1 м² (МДж/м²).

Удельная теплоемкость – количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на 1^о, Дж/ кг*К.

Узел пространственной решетки - вершина параллелепипеда. С этими узлами совпадают центры тяжести частиц, из которых построен кристалл.

Упорядоченные твердые растворы – твердые растворы замещения, в которых вместо статистического распределения разных атомов в узлах пространственной решетки атомы одного и другого металла размещаются в определенном порядке.

Условный предел текучести – это напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2%, его обозначают σ _0,2.

Усталость - процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению.

Фаза – однородная, отделенная поверхностью раздела часть металла или сплава, имеющая одинаковые состав, строение и свойства.

Феррит (Ф или α) - твердый раствор внедрения углерода в Fе_α..

Ферритные стали – твердые растворы, однофазные сплавы на основе железа с ОЦК-решеткой (Fe_α) с Sr, Mo, W, V, Si, Ti.

Физические свойства материала – свойства, характеризующие поведение материалов в магнитных, электрических и тепловых полях.

Физический предел выносливости σ _R - напряжение, которое не вызывает усталостного разрушения после неограниченно большого или заданного (базового N_b) числа циклов нагружения, которое определяется горизонтальным участком на кривой усталости.

Фононы - кванты упругих колебаний частиц.

Хладноломкость - свойство металлического материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Она проявляется у железа, стали, металлов и сплавов, имеющих ОЦК или ГП - решетку. Она отсутствует у металлов с ГЦК - решеткой.

Цементация стали – технологический процесс диффузионного насыщения стали углеродом.

Цементит (Ц) – карбид железа почти постоянного состава Fе₃С, содержит 6,69% углерода.

Центры кристаллизации (зародыши) -наиболее крупные устойчивые группировки атомов которые при переохлаждении жидкости становятся устойчивыми и способными к росту.

Цикл напряжения - совокупность изменения напряжений между двумя его предельными значениями σ _max и σ _min в течение периода Т.

Циклическая долговечность – характеризует сопротивление материала разрушению поверхности путем отделения его частиц под воздействием силы трения. Циклическая долговечность равна величине, обратной скорости изнашивания.

Циклическая долговечность - число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживает материал до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном напряжении.

Циклическая прочность - физический или ограниченный предел выносливости. Он характеризует наибольшее напряжение, которое материал способен выдержать за определенное время работы.

Число степеней свободы - это число независимых переменных – внутренних (состав фаз) и внешних (t°, давление) факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Эвтектический сплав – сплав, состоящий из смеси двух твердых фаз, которые одновременно кристаллизуются из жидкого расплава. Для эвтектики характерно определённое количественное соотношение фаз α_E/β_F = |CF|/|CE|.

Эвтектическое превращение превращение, в результате которого из жидкого расплава выделяется две новые твердые фазы: Ж_с↔ α_E+β_F.

Эвтектоид - перлит и эвтектику - ледебурит рассматравают как самостоятельные, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов.

Эвтектоидное превращение: превращение, в результате которого из одной твердой фажы получаются две новые твердые фазы: γ_с→ α_E+β_F.

Эвтектоидный сплав -После кристаллизации всех сплавов данной системы в определённом интервале температур образуется твёрдый раствор γ, который при понижении температуры ниже t_э испытывает эвтектоидное превращение: γ_с→ α_E+β_F.

Эксплуатационные свойства материала - определяют работоспособность деталей машин, приборов или инструментов, их силовые, скоростные, стойкостные и другие технико-эксплуатационные показатели.

Элементарная ячейка -наименьший параллелепипед, на который разбивается кристалл.

Элементарный акт сдвига – это смещение одной части кристалла относительно другой на расстояние, равное периоду решетки.

Литература

 

Арзамасов Б.Н. Материаловедение: учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В. И. Макарова, Г.Г. Мухин и др., Под общ. ред. Б.Н.Арзамасова, Г. Г. Мухина – 3-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001. - 648с.

Беккерт М. Мир металла / М. Беккерт. Пер. с нем. М. Я. Аркина / под ред. В.Г. Лютцау - М: Мир. 1987 - 150 с.

Гуревич Ю. Г. Загадка булатного узора / Ю.Г. Гуревич. М.: изд-во «Знание», 1985. - 192с.

Лахтин Ю.М. Основы металловедения: учебник для техникумов / Ю.М.Лахтин. М.: Металлургия. 1988. - 320 с.

Пейсахов А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник. 2-е издание. / Пейсахов А.М., Кучер А.М. – СПб.: Изд-во Михайлова В.А., 2004 г. – 407 с.

 

 

Учебное издание

 

 

Чернова Елена Николаевна

 

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

 

Курс лекций

 

 

В авторской редакции

 

 

Подписано в печать