1
Нижегородскийгосударственныйтехническийуниверситет
кафедра"Материаловедениеипорошковаяметаллургия"
Лекциипокурсу
"МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ"
направахрукописи
МальцевИльяМихайлович
авторкурсавыражаетглубокуюблагодарность
профессору,д.т.н.НиколаевуАлександруНиколаевичу
запомощьвсозданиииформированииматериаловлекций

2
НижнийНовгород1995год
Лекция№1.
Содержаниелекции:
Введение.Задачикурса.Классификациятехническихматериалов.Материалы
металлические,неметаллические,композиционные.Содержаниеэлементовв
Земнойкоре.Мировойобъемпроизводстваосновныхматериалов.Структурные
методыисследования.Типыкристаллическихрешеток,особенностистроения
реальныхметаллическихматериалов.
Введение.Задачикурса.
Материаловедение-научнаядисциплинаоструктуре,свойствахиназначенииматериалов.
Свойстватехническихматериаловформируютсявпроцессеихизготовления.Приодинаковом
химическомсоставе,норазнойтехнологииизготовления,образуетсяразнаяструктура,и
вследствие,свойства.
Цельнастоящейдисциплины-изучениезакономерностейформированияструктурыисвойств
материаловметодамиихупрочнениядляэффективногоиспользованиявтехнике.
Основнаязадачадисциплины-установитьзависимостьмеждусоставом,строениеми
свойствами,изучитьтермическую,химико-термическуюобработкуидругиеспособы
упрочнения,сформироватьзнанияосвойствахосновныхразновидностейматериалов.
Классификацияматериалов.
Назначениематериалаопределяетсятребованиямиконструкции(конструкционныекритерии-
прочность,долговечность,коррозийныесвойстваит.п.)ивозможностьюпереработкивизделие
(технологическиекритерии-коэффициентобрабатываемостирезанием,сваркииобработки
давлениемит.п.).Выборматериаласиспользованиемклассификацииосуществляетсяподвум
основнымкритериям.Вобщемслучаеклассификацияматериаловвключатвсебятриосновных
разновидностиматериалов:металлическиематериалы,неметаллическиематериалы,
композиционныематериалы.Погеометрическимпризнакамматериалыивеществапринято
классифицироватьповидуполуфабрикатов:листы,профили,гранулы,порошки,волокнаи
т.п..Посколькуматериалтогоилииногополуфабрикатаизготавливаетсяпоразной
технологии,применяютразделениепоструктуре.
Металлическиематериалыпринятоклассифицироватьпоосновномукомпоненту.Различают
чернуюицветнуюметаллургию.Кматериаламчернойметаллургиипринадлежатстали,
чугуны,ферросплавыисплавынаосновежелеза,легированныецветнымиметалламив
количествепревосходящимстали.Кматериаламцветнойметаллургипринадлежатважнейшие
цветныеметаллы-алюминий,медь,цинк,свинец,никель,оловоисплавынаихоснове.К
металлическимматериаламотносятсяиматериалыпорошковойметаллургии.Неметаллические
материалыразличаютпоосновнымклассам:резина,керамика,стекло,пластическиемассы,
ситаллы.Композиционнымиматериалы-сложныеилисоставныематериалы,состоящиеиз
двухразнородныхматериалов(например:стеклаипластмассы-стеклопластики)принято
классифицироватьпотипуструктуры,материалуматрицы,назначениюиспособу

3
изготовления.Болееподробноклассификацияматериаловбудетизложенанижевразделах
лекционногокурса.Техническиематериалыпринятоклассифицироватьпоназначению:
материалыприборостроения,машиностроительныематериалы,иболееподробно,например
сталидлясудостроенияилимостостроения.Внаучномаспектематериалыразделяютпотипу
структуры:аморфные,кристаллические,гетерофазные.Привыборематериаладлятойили
инойдеталииликонструкцииучитываютэкономическуюцелесообразностьегоприменения.
Стоимостьтехническогоматериаласвязанасзатратаминаегопроизводствоиуровнемзапасов
еговпромышленномигосударственномрезервах,ссодержаниемвЗемнойкоревеществи
элементов,необходимыхдляегопроизводства.Поэтомутакважнознаниеинженерао
содержанииэлементовивеществвземнойкоре.Впоследниегодывклассификации
машиностроительныхматериаловприменяютпараметрыудельнойпрочностииэнергрозатрат
производстваматериалов.Онипоказывают,чтонаилучшимисочетаниямисвойствдлямашин
обладаюттитаниалюминий.Классификацияизвестныхматериаловнаходитсвоеотражениев
ГосударственныхСтандартах(ГОСТ).
СодержаниеэлементоввЗемнойкоре.
ИсторическидляТехникинаиболееважнымибылиметаллыисплавы,впервуюочередьстали
ичугуны,медь.
СодержаниеметалловиэлементоввЗемнойкореследующие:
МедьСu=0.01%,Серебро=4*10-6%,Олово=6*10-4%,Титан=0.58%,Магний=1.94%,
Золото=5*10-7%,Бериллий=5*10-4%,Цинк=2*10-2%,Железо=4.7%,Алюминий=7.5%,
Кремний=25.7%,Свинец=8*10-4%,Хром=3.3*10-2%,Никель=1.8*10-2%.
Анализприведенныхданныхпоказывает,чтонаиболееперспективнымэлементомдля
использованиявтехникеявляетсяАлюминий,этосовпадаетсобщемировойтенденцией
машиностроения.Усилияразработчиковновыхматериаловнаправленынасозданиематериалов
наосноветугоплавкихсоединений:нитридовиборидоввкристаллическойиаморфной
формах,пригодныхдляприменения.Наибольшеераспространениевавиационной,
космическойиспециальнойтехникеприобретаетнитридкремния(SiN).
ТаккакматериальныересурсыЗемлиограничены,этонаходитсвоеотражениев
формированиицен,передмашиностроениемвсегдастоитзадачарасширениясырьевойбазыи
сокращениязатратматериаловнаединицутехники.
Мировойобъемпроизводстваосновныхматериалов.
.Элементы,преимущественнометаллические,находятсявЗемнойкореввидеокислов,
нитридов,гидридовигидратов,хлоридовит.п.,дляпревращенияминеральногосырьяв
полуфабрикактынеобходимызначительныезатратыэнергииидополнительныхвидов
минераловивеществ.Наименьшимипотерямисредитехническихматериаловобладает
производствосталиичугуна,чтоположительносказываетсянаихотносительнойстоимости.
Мировойобъемпроизводстваосновныхматериаловследующий:стали=700мл.тон,
конструкционногочугуна=46мл.тонн,пластическихмасс=100мл.тон.,конструкционных
стеклаикерамики=180мл.тон.Отметим,чтоплотностьпластмассв2-3разаниже,чем
металлов,ивобъемныхпроцентахпластмассвыпускаетсяв2разабольшедругих
материалов.Отличительнойособенностьюсовременногомашиностроенияявляется
расширениеноменклатурыприменяемыхматериалов.Средиметаллическихматериалов
мировойобъемпроизводстваследующий:Алюминий=12.2,Медь=7.3,Цинк=4.68,Свинец=
3.77,Никель=0.52(мл.тонн.).Наибольшиетемпыростапроизводстваукомпозиционныхи
порошковыхматериалов.

4
Структурныеметодыисследования.
Материаловедение,какнаучнаядисциплина,численооперируетпоказателямисвойств
материала(временноесопротивлениеразрушению,прочностьнасжатие,твердостьит.п.)
Крометого,материаловедениеобобщаетвсебеданныеотехническихитехнологических
испытанияхматериалов.Показателисвойств,химическийсоставвматериаловедении
связываютсясособенностямистроенияматериала.Различаютмакростроение,микростроение
исубмикростроениематериалов.Перваяструктуравыявляетсявизуально,вторая-при
увеличении,достигаемымоптическимисистемами,третья-спомощьюрентгеновскихи
электронныхлучей.Знанияоморфологииструктурыпозволяетоптимизировать
технологическиепроцессыполученияматериала,датьобъективноепредставлениео
рациональностиегоиспользованиядляизделия.
Кструктурнымметодамисследованияпринадлежат:
Макроанализ:-изучениеструктурыматериаловвизуальноилиспомощьюпростейших
оптическихприборовсувеличениемдо50крат.Наиболеедоступнымприэтомявляется
изучениеизломов(Смотрилаб.раб.№1).Дляметалловисплавовмелкокристаллическийизлом
соответствуетлучшемукачеству-болеевысокиммеханическимсвойствам.Наизломах,
например,всталяхлегконаблюдаютсядефекты:крупноезерно,шиферность.грубая
волокнистость,трещины,раковины,флокеныит.п.,иврядеслучаевглубинапроведенной
поверхностнойобработкиизделия.МетодикаисследованиязакрепляетсяГОСТ,тамже
приведеныфотоэталоныизломовимакродефектов.
Другимспособоммакроисследованияявляетсяизучениестроенияметаллическихматериалов
наспециальныхтемплетах(образцах).Послетравленияспециальнымирастворами
шлифованнойповерхности
темплетананейвыявляетсякристаллическаяструктура,
волокнистость,дендритноестроение,
неоднородностьметалла.Например,травление
поперечногосрезасварногошвадаетвозможностьвыявитьместанепровара,пузыри,зону
термическоговлияния,трещиныит.п..
Микроскопическийанализ:производитсяспомощьюоптическихмикроскопов(полезное
увеличениедо950крат),электронныхмикроскопов(увеличениедомл.раз),электронных
проекторов(увеличение-несколькомл.раз).Исследованиепроизводитсяназеркальной
поверхностишлифа(послесоответствующейполировки)илислепкаснее-наэлектронном
микроскопе.Шлифыисследуютдоипослетравления.Травлениеметаллическойповерхности
растворамикислотвыявляетрельефграницкристаллов,контурыотдельныхэлементов
структуры.Данныеисследований-размериформазеренполучаютколичественнуюи
качественнуюоценку.Внастоящеевремяметаллографическиекомплексыснабжаются
компьютернымисистемамидляобработкиихраненияинформации.
Физическиеметодыисследованияструктуры:Срединихособоеместозанимаютметоды
радиографииирентгеновскогоанализа.Путемпросвечиванияосуществляетсядефектоскопия
иконтрольориентацииарматурывкомпозитах.Параметрыкристаллическихрешеток
определяютсяспомощьюрентгеновскогоструктурногоанализа,основойкоторогослужит
соотношениеВульфа-Брегга:
2*d*sin
d-межплосткостноерасстояние(параметррешетки),
-уголпадениялучанакристаллографическуюплоскость,
-простоечисло(1,2,3,4......),
-длинаволнырентгеновскихлучей.
Рентгеновскийанализт.ж.определяеткачественныйиколичественныйсоставсплавов,
физическуюплотностькристаллов,особенностисубструктуры,плотностьлинейныхдефектовв

5
реальномкристалле,позволяетпроследитьполиморфныепревращениявсталяхисплавахи
обнаружитьглубокиефизико-химическиепроцессывметаллах.
Типыкристаллическихрешеток,особенностистроенияреальных
металлическихматериалов.
Вбольшинствеслучаевтехникаиспользуеткристаллическиематериалы.Субструктура
материала-кристаллическоестроениенарядусхимическимсоставомопределяетвсесвойства.
Вреальныхметаллахкристаллывыпадаютизрасплавовприохлажденииисоздаютсяфизико-
химическимипроцессамипринагреветвердоготела.
Атомывкристаллахрасположенызакономерновузлахкристаллическойрешеткииливместах
пересечениякристаллическихплоскостей.Всепространствокристалламожноразбитьна
элементарныеячейки.Повторяявпространствеэлементарнуюячейку,можноописатьвесь
кристалл.Простейшейкристаллическойячейкойявляетсякуб,повершинамкоторого
располагаютсяатомы.
Основныетипыкристаллическихрешетокметаллов:
объемоцентрированнаякубическая(О.Ц.К.);гранецентрированнаякубическая(Г.Ц.К.).;
гексоганальнаяплотноупакованная(Г.П.У.)рис.1.
Кристаллическиерешетки
характеризуются
параметрами:периодомрешетки,
координационнымчислом,атомнымрадиусом,базисомиликоличествоматомов,
приходящимсянаоднуячейку,энергиейрешетки,плотностьюупаковкиатомовидр..
1.1
1.2
1.3
Рисунок1.Типыкристаллическихрешеток.(1.1-объемоцентрированнаякубическаяОЦК;
1.2-гранецентрированнаякубическаяплотноупакованнаяГЦК;1.3-гексоганальная
плотноупакованнаярешеткаГПУ).
Периодомрешеткиназываетсярасстояниемеждуцентрамидвухсоседнихатомов.
Координационноечисло-количествоатомов,находящихсянанаиболееблизкомрасстоянииот
любогоатомаврешетке.Атомныйрадиус(половинаатомногодиаметра)-половина
межатомногорасстояниямеждуцентрамиближайшихатомов.
Металлыимеютплотнуюупаковкуатомов,т.е.высокиекоординационныечислаибольшое
количествоатомов,приходящихсянаоднуэлементарнуюячейку.
Вследствиенеодинаковойплотностиатомоввразличныхнаправлениях,многиесвойства
кристаллаанизотропны.Металлыидругиеэлементыивеществаимеютполиморфные

6
превращения.Кристаллическаяструктураизменяетсявзависимостиоттемпературы.
Например,кристаллическаярешеткажелезавинтервалетемпературот0до910градС-ОЦК
(Fe-α);от910до1400градС-ГЦК(Fe-γ);от1400до1539градС(плавление)-ОЦК(Fe-αили
Fe-δ).
Реальныеметаллыявляютсяполикристаллическимивеществами.Размерызерен(кристаллов)
колеблютсявширокихпределахотдолеймикронадонесколькихмиллиметров.Вприведенных
вышепримерахрассматривалисьидеальныекристаллическиерешетки.Особенностьюстроения
реальныхметаллическихматериаловявляетсяналичиеискаженийидефектовкристаллического
строения,вызванноедействиемтемпературных,электромагнитныхииныхполей,ат.ж.
механическиминапряжениями.Наибольшеечислодефектоввозникаетприпервичной
кристаллизациирасплаваилиприпластическойдеформациитвердоготела.Кристаллические
дефектыразделяютнаточечные,линейные,поверхностныеиобъемные.Источникамидефектов
являютсяпреждевсегопримеси.Например,есливалюминиисодержится0.001%(10-5)
примесикремния,тов1мм.куб.будет6*10Е14постороннихатомов.Атомыпримесей
искажаюткристаллическиерешетки.Примесимогутрасполагатьсяввидеотдельныхатомов,
скопленийпоповерхностямиливопределенныхобъемах.Рис2.1.Другимисточником
дефектовявляютсятепловыеколебанияатомов.Среднеезначениеамплитудытепловых
колебанийравно5-10%межатомногорасстояния,ноэнергиятепловыхколебанийврешетке
распределенанеравномерно.Колебанияатомовтожеразличны.Еслинаповерхностиатом
обладаетэнергией,необходимойдляиспарения,онможетвыйтиизкристаллическойрешетки.
Образуетсядефект,которыйназываетсявакансией.Рис2.2..Числовакансийврешетке
кристаллаопределяетсязависимостью:
Q/(K*T)
e
,
(2)
где-общеечислоатомов;e=2.71828;K=R/N;Q-энергияактивации;T-температура.
Например,длякадмияпри300град.СK*T=600Kкал/моль,N=10E22CmE-3,Q
=23000Kкал/моль,ачисловакансий10E-4CmE-3,апритемпературе
плавлениякадмиячисловакансийпревышает1%.Образованиедислоцированныхатомов(рис.
2.3.)требуетбольшейэнергииактивации,поэтомуколичествотакихдефектовменьше,
преимущественноонивозникаютприоблучениикристаллов.
Рис.2.1
Рис.2.3.
Рис.2.2.
рис.2.Точечныедефектыкристаллическихрешеток.2.1.-примесныйатом;2.2.-вакансия
(дефектШоттки);2.3.-дислоцированныйатом(дефектФренкеля).
Вакансииимеютбольшоезначениеособеннодляпротеканиядиффузии,создаютусловиядля
повышенияпластичностиметаллапринизкихтемпературах.

7
Реальныекристаллыразделенынафрагментыиблоки(мозаичнаяструктура).Поверхности
кристаллов(границызерен),границыфрагментовиблоковявляютсяместомскопления
всевозможныхдефектовиместомихвозникновенияРис3.Основнымилинейнымидефектами
являютсядислокации.Дислокациибываютлинейными(краевыми),представляющиесобой
крайэкстра-плоскости(полуплоскости)рис4.1.,рис4.2.;ивинтовымирис.4.3..
Рис.3.МозаичнаяРис.4.1.ДислокацияРис.4.2.иРис.4.3.Краеваяи
структуракристалла.награницеблоков.винтоваядислокации.
Дефектывлияютнаструктурночувствительныесвойства.Например,наличиедислокаций
изменяетпрочностьметаллов.Теоретическийподсчетпределаупругостидаетвеличину,
превышающуюреальнуюв1000раз(10Е5и100МПа)длячистыхметалловив100раздля
сталей.Бездефектныекристаллическиеметаллическиеикерамическиематериалыввиде
волокониНК(нитевидныхкристаллов)применяютсякакарматура-фазаупрочнитель
конструкционныхкомпозитов.Рис.5..
Внастоящеевремяразработанадислокационнаятеория,
объясняющаямеханизмы
пластическойдеформацииипричиныразрушенияметаллов,ихупрочненияприобработке
давлениемииныхтехнологическихспособах.

8
Лекция№2
Затвердеваниеметаллическихматериалов.Термическиекривыеохлажденияпри
кристаллизацииметаллов.Применениеправилафаз.Факторы,влияющиенапроцесс
кристаллизации.Модифицированиежидкогометалла.Материалыаморфногостроенияи
ихприменение.Полиморфныепревращениявметаллах.Жидкиекристаллы.
Затвердеваниеметаллическихматериалов.Термическиекривые
охлажденияприкристаллизацииметаллов.
Кристаллизациейназываетсяпереходизжидкоговтвердоесостояниесобразованием
кристаллическихрешетокиликристаллов.Вреальныхметаллическихтелахкристаллизация
расплавовзаканчиваетсяобразованиемструктурысложнопереплетенныхкристаллов-
дендритов.Ихморфологияопределяетсвойстваматериалов.Приобразованиикристаллових
развитиеидетвосновномвнаправлении,перпендикулярномплоскостямсмаксимальной
плотностьюупаковкиатомов.Этоприводитктому,чтопервоначальнообразуютсядлинные
ветви,такназываемыеосипервогопорядка.Одновременносудлинениемосейпервогопорядка
наихребрахзарождаютсяирастутперпендикулярныекнимтакиежеветвивторогопорядка.в
своюочередьнанихрастутоситретьегопорядкаит.д.Образуютсякристаллыдревовидной-
дендритнойформы.Преимущественныйросткристаллапроисходитвнаправленииотвода
тепла.Ветвидендритовразделеныоченьтонкимипрослойкаминерастворимыхвжидкоми
особенновтвердомсостояниипримесейимельчайшимиполостямиипорами,возникшимив
результатеуменьшенияобъемаприпереходеметаллаизжидкогосостояниявтвердое.Приtпл,
определеннойдлякаждогометалла,твердыйметаллпереходитвжидкий.Многиесвойствапри
этомменяютсянезначительно.Например,плотностьпадаетна5-7%,электропроводностьи
теплопроводностьвозрастают.Характервнутреннихсилнеизменяется.Металлическая
жидкостьпосвоемустроениюблизкактвердомутелу.Кристаллическаярешеткасохраняется
дотемпературыплавления.Послерасплавлениярешеткаразрушается,носохраняется
динамическийближнийпорядок.Затвердеваниепроисходитпритемпературеtзатв,она
меньшеtпл.Существуетпереохлаждениеиперенагреврис.6.
Рис.6.
Рис.7.
Рис.8.
Рис.6.ИзменениесвободнойэнергииFметаллавжидком(Fж)итвердомсостоянии(Fт)в
зависимостиоттемпературыT.
Рис.7.Кривыеохлажденияполученныеприкристаллизацииметалла.
Рис.8.ЗависимостьскоростиобразованияцентровnискоростиростакристалловСот
переохлаждения.

9
ПритемпературеТпвеличинысвободныхэнергийжидкогоитвердогосостоянияравны.
Процесскристаллизациипротекаетпритемпературе,меньшейТп.Дляначалазатвердевания
необходимопереохлаждение(разностьэнергий).Переохлаждениетембольше,чембольше
скоростьизменениятемпературырис.7..В1878годурусскийученый-металлургД.К.Чернов
установил,чтопроцесскристаллизациисостоитиздвухэлементарныхпроцессов:зарождения
центров(скорость-nвсек-1*см-3)иростакристаллов(скоростьСвсм*сек-1).
Установлено,чтоnиСзависятотпереохлаждениярис.8.Этоопределяетразмерзерен:
3/4
N=a*(C/n)
(3)
N-размерзерна;коэффициент"а"приблизительноравен1.
ПрактическикривыеnиСрасполагаютсядруготносительнодругатакимобразом,что,чем
большепереохлаждение,теммельчеполучаютсякристаллы,иличембольшескорость
охлаждения,теммельчекристаллы.Ниспадающиеветвикривыхэкспериментальноне
наблюдаются,поэтомупроведеныпунктирнымилиниями.
Критическийразмерзародышапервичногокристалланаходитсяизвыражения:
Rk=(4
f
(4)
где-поверхностноенатяжение;fразностьобъемныхсвободныхэнергийжидкогои
твердогометаллов.
ПРИМЕЧАНИЕ:Ф.4.справедливадлянебольшихзначений
Наобразованиезародышатребуетсяэнергия,равнаяоднойтретиегоповерхностнойэнергии.
Уменьшениеобъемнойсвободнойэнергииприпереходеатомоввкристаллическоетело
недостаточнодляобразованиязародыша.Образованиюзародышаспособствуетнеравномерное
распределениеэнергиимеждуатомами-флюктуации.
ПритемпературеблизкойкТпл,размеркритическогозародышадолженбытьоченьвелики
вероятностьегообразованиямала.Сувеличениемстепенипереохлажденияfвозрастает(см.
рис.6),аповерхностноенатяжениенаграницеразделафазизменяетсянезначительно.Чем
больше,темменьшеRk,тожесамоедляПринебольшойстепенипереохлаждения
(малойскоростиохлаждения)числозародышеймало.Вэтихусловияхбудетполученокрупное
зерно.Сувеличениемстепенипереохлажденияскоростьобразованиязародышейвозрастаети
размерзернавзатвердевшемметаллеуменьшается.
Размерзернавлияетнасвойства,особеннонавязкость,котораязначительновышеуметалловс
мелкимзерном.
Применениеправилафаз.
Металлическиематериалыприменяемыевтехникевбольшинствеслучаевявляютсясплавами.
Сплавомназываютвещество,полученноесплавлениемнескольких(двухиболее)элементов,
преимущественнометаллических.Строениесплавовболеесложно,чемстроениечистого
металла.Всплавемогутнаблюдатьсязерначистыхметалловидругихкомпонентов,твердых
растворовихимическихсоединений.Твердымираствораминазываютсплав,укоторогоионы
растворенногоэлементарасположенывкристаллическойрешеткерастворителя.Твердые
растворыразделяютсянатритипа:замещения,внедренияивычитания,илитвердыерастворы
набазехимическихсоединений.
Существуюттакжеупорядоченныетвердыерастворы.

10
Совокупностьвсехсплавов,которыемогутбытьсоставленыиззаданныхкомпонентов,
называютсистемойсплавов.
Фазойназываетсяоднороднаячастьсистемы,имеющаяодинаковыйсостав,одноитоже
агрегатноесостояниеиотделяющеесяотостальныхчастейсистемыповерхностямираздела.
Фазымогутбытьгазообразными,жидкимиитвердыми.Всплавемогутприсутствовать
несколькофаз.Вещества,образующиесистему,называютсякомпонентами.Числостепеней
свободы(вариантность)системыэточисловнешнихивнутреннихфакторов(t,Pи
концентрацияС%),которыеможноизменять,неизменяячислофазвсистеме.Оно
определяетсяправиломфаз:
f=n-K+2
(5)
гдеf-числостепенейсвободы;n-числокомпонентов;K-числофаз.
Еслидавлениенеучитывать:f=n-K+1
Правилофазприменяетсяприанализепроцессов,совершающихсявсплавахпринагревеи
охлаждениидлярасчетачислафазвконкретныхтермодинамическихусловиях.
Рис.9.Иллюстрациякприменениюправилафаз.
Факторы,влияющиенапроцесскристаллизации.Модифицированиежидкогометалла.
Кристаллизацияпроисходитсобразованиемтепловогоэффекта.Отеговеличинызависит
размерзерна.
Rk=[4**Ts/Q]/
гдеQ-тепловойэффектзатвердеваниянаединицуобъема;Ts-температуразатвердевания.
Выражениесправедливодлягомогеннойкристаллизации.Теоретическоечислоцентров
кристаллизациизначительнонижечислареальнообразующихсязародышей.Этосвязанос
присутствиемпримесейврасплавах.Напримесяхпроисходитгетерогеннаякристаллизация.
Схемакристаллизациинапримесипоказананарис.10.
Рис.10.Схемакристаллизациинапримеси.Нарис.б1-поверхностноенатяжение
примеси;б2-поверхностноенатяжениезатвердевшегометалла;б3-поверхностноенатяжение
металларасплава.

11
Росткристаллапроисходитпослойнымприсоединениематомовкзародышу.Обычноб1
большеб2и-б1+б2меньшенуля,т.е.сточкизренияэнергетикипроцесса,кристаллизацияна
примесяхболеевыгодна,чемспонтаннаякристаллизация.Вреальныхпроцессахпримеси
являютсяосновнымицентрамикристаллизации.Приперегреверасплавленногометаллаодна
частьпримесейрасплавляется,другаядезактивируется.
Изменитьчислоцентровиразмерзернаможночетырьмяметодами:
-изменитьскоростьохлажденияитемсамымвеличинупереохлаждения;
-увеличитьилиуменьшитьперегревметаллапередразливкой;
-ввестивжидкийметаллмельчайшиенерастворимыепримеси;
-уменьшитьпутемдобавкиактивныхрастворимыхпримесейповерхностноенатяжение.
Последниедваметодаосуществляютсяпримодификации,соответственногетерогеннойи
гомогенной.Модифицированиеосуществляютвведениемспециальныхдобавок,образующих
тугоплавкиесоединения(карбиды,нитридыиоксиды).
Процесскристаллизацииначинаетсяотстенокформы,которыеиграюттужероль,чтои
нерастворимыепримеси.Наповерхностислитковобразуетсятруднообрабатываемыйслойиз
мелкихкристаллов,которыйудаляютвметаллургическомпеределе(см.лаб.раб.№1).
Материалыаморфногостроенияиихприменение.
Кматериаламаморфногостроенияпринадлежатстеклаизнеорганическихвеществ,металлови
рядпластмасс.Аморфноесостояниехарактеризуетсяотсутствиемдальнегопорядкав
расположенииатомовупаковки.
Наибольшийприменениеунеорганическихстекол.Основнойхимическийсостав
конструкционныхстекол:двуокиськремнияиалюминиясдобавкамиангидридовбора,
фосфораидвуокисейметаллов-титана,ванадияициркония.Средимашиностроительных
материаловнаибольшееприменениеполучилибезосколочные,тугоплавкие,термостойкиеи
упрочненныестекла.Неорганическоестекло,получаемоепризастыванииминерального
расплававрезультатенепрерывногоувеличенияеговязкости,вотличииотдругихматериалов
имеетмакроскопическоеизотропноеаморфноестроение,втойилииноймерепрозрачнои
обладаетмеханическимисвойствамитвердоготела.Тонкоеисследованиестроениястекол
свидетельствуетоихмикронеоднороднойструктуре.Стеклопосравнениюскристаллическим
веществомнеимеетопределеннойточкиплавления;будучинагретым,онопостепенно
размягчается,переходяизтвердогохрупкогосостоянияввысоковязкое,изатемвжидкое
(стекломассу).Припонижениитемпературывязкостьстекланепрерывновозрастаети
происходитобратныйпереходвтвердоехрупкоесостояние.
Рис.11.Зависимостьсвойствстеклаоттемпературы.
ВинтервалетемпературTg-Tfсвойствастекласкачкообразноизменяются.Стеклоотносится
ктермодинамическинеустойчивымсистемам.ПритемпературеTgстеклосклоннок
кристаллизации.
Металлическиестеклапохимическомусоставусостоятизметалловиэлементов
аморфитизаторов,вкачествекоторыхиспользуютбор,углерод,кремний,азотидругиев

12
количестведо30%.Аморфноесостояниеметалладостигаетсясверхбыстрымохлаждениемиз
газообразного,жидкогоилиионизированногосостояния.ОсновнымметодомполученияМС
являетсязакалкаизжидкогосостояния,фиксирующаяструктурурасплава.ОсобенностьюМС
являетсясочетаниевысокойтвердостиипрочности,нарядусвысокимиупругимисвойствами.
Например,уобычныхстеколкрайневысокаятвердостьиотносительнонизкаяпрочность.МС
можноштамповать,резатьипрокатывать.АморфноесостояниеМСявляетсяметастабильным.
Притемпературахотжига,превышающей(0.4-0.65)Тплматериалкристаллизуется.
Пластическиемассывбольшинствеслучаеваморфныетела.Изменениесвойствс
температуройпроисходиттакжекакунеорганическихстеколрис.11.Существуеттри
различныхаморфныхсостояния-стеклообразное,высокоэластичноеивязкотекучее;идве
температуры,прикоторыхсвойствапластмассрезкоизменяются.Тс-температурастеклования
ивышееетемпературавязкотекучегосостояния-Тт.Пластическиемассыкристаллизуютсяпри
длительныхотжигахидеформационныхпроцессахпомеханизмуориентацииполимерных
цепейиилизвеньевводнойплоскостиилинаправлении.
Аморфныематериалыявляютсяперспективнымимашиностроительнымиматериалами.МС
применяютсядляизготовленияпружин.Стекла-дляизделийсоптическимисвойствами.
Пластическиемассыкакконструкционныематериалы.Применениеаморфныхматериаловв
основномсдерживаетсяихузкиминизкимтемпературныминтерваломэксплуатации.
Полиморфныепревращениявметаллах.
Металлыисплавывзависимостиоттемпературымогутсосуществоватьвразных
кристаллическихформах,иливразныхмодификациях.Приполиморфномпревращенииодна
кристаллическаярешеткасменяетдругую.Полиморфноепревращениепроисходитвтом
случае,еслиприданнойтемпературеможетсуществоватьметаллсинойкристаллической
решеткойименьшимуровнемсвободнойэнергии.Нарис.12показанакриваяохлаждения
чистогожелезаиполиморфныепревращениявметалле.
Рис.12.Криваяохлаждениячистогометалла(железа).
Полиморфноепревращение-кристаллизационныйпроцессиосуществляетсяпутем
образованиязародышейипоследующегоихроста.Образованиезародышейидетс
соблюдениемпринципаструктурногоиразмерногосоответствия.Ростзеренновойфазы
происходитпутемнеупорядоченных,взаимнонесвязанныхпереходовотдельныхатомов
(группыатомов)черезмажфазнуюграницу.Врезультатеграницановыхзеренпередвигаетсяв
сторонуисходных,поглощаяих.Зародышиновойфазывозникаютпограницамстарыхзерен
иливзонахсповышеннымуровнемсвободнойэнергии.

13
Вновьобразующиесякристаллызакономерноориентированыпоотношениюккристаллам
исходноймодификации.Врезультатеполиморфногопревращенияобразуютсяновыезерна,
имеющиедругойразмериформу.Происходитскачкообразноеизменениесвойствматериала.
Полиморфноепревращениетакженазываютперекристаллизацией.Еслинагревметалла
проведендотемпературы,немногопревышающейтемпературуполиморфногопревращения
(критическойточки),получаетсяоченьмелкоезерно.Этоявлениеиспользуетсявпрактике
термическойобработкиметаллов.
Жидкиекристаллы.
Жидкокристаллическоесостояние-этотермодинамическиустойчивоеагрегатноесостояние
состояние,прикоторомвеществосохраняетанизитропиюфизическихсвойств,присущую
твердымкристаллам,итекучесть,характернуюдляжидкостей.
Существуетрядсоединений,преимущественноорганических,обладающихтакимкомплексом
свойств.Например,сложныеароматическиеэфиры-производныетранс-циклогексана,
фенилбензоаты;азотметины;азосединенияит.п..
Жидкиекристаллыобладаюталлотропическимипревращениями,которыенеизменяютих
жидкогосостояния.Превращениянаблюдаютсяпривоздействииэлектромагнитногополя,
изменениятемпературыидавления,идругихфизическихвоздействиях.Свойстваихтакжекак
иутвердыхтелскачкообразноизменяются.Жидкиекристаллыиспользуютсякак
оптоэлектронныеиндикаторы,иматериалыкомбинированныхстеклянныхконструкций,где
требуетсярезкоеизменениеоптическихсвойствсистемы,привнешнихвоздействиях.
Жидкокристаллическоесостояниеиегоуникальныесвойстваобусловленыспособностью
некоторыхорганическихмолекул,агрегатироватьсясдругимимолекулами,частичносоздавая
упорядоченныеструктуры-сенергировать.Посвоейпрактическойзначимостиособоеместо
занимаютнематическиежидкиекристаллы,отличающиесяотпрочихтиповжидкихкристаллов
однооснойупорядоченностью,прикотороймолекулывыстраиваютсятакимобразом,чтоих
длинныеосипараллельныдругдругу.

14
Лекция№3.
Строениеисвойстватиповыхдвухкомпонентныхсплавов.Понятиеофизико-химическом
анализе.Диаграммасостояниясистемсполнойрастворимостьюкомпонентоввтвердом
состоянии.Применениеправилаотрезков.Внутрикристаллическаяликвация.
Строениеисвойстватиповыхдвухкомпонентныхсплавов.
Строениеисвойстватиповыхдвухкомпонентныхсплавовопределяютсятипомтвердого
раствора.Приобразованиитвердыхрастворовэлектрическоесопротивление,твердость
возрастают,атеплопроводность,пластичность-обычнопадают.Рассмотримнаиболееважные
изних.Твердыйрастворвнедрения.Чембольшепорыименьшеатомвнедрения,темлегче
самовнедрение.Рис.13.Твердыйрастворзамещения.Онможетбытьограниченными
неограниченным.Последниеобразуютсяуизоморфныхметаллов,незначительно
отличающихсяпоразмераматомныхрадиусов(8-10%),близкихкдругдругувтаблицеД.И.
Менделеева.Чембольшеразницавэлементах,темменьшерастворимость.Рис.14.
Неупорядоченныеиупорядоченныетвердыерастворы.Вобычныхтвердыхрастворахатомы
растворенногоэлементарасполагаютсяврешеткерастворителябеспорядочно.При
определенныхусловиях-медленномохлаждении,способствующемдиффузии,атомы
занимаютопределенныеместаврешеткерастворителя.Процессназываютупорядочением.Рис.
15.1.и15.2.Еслидвакомпонентанеспособныквзаимномурастворениювтвердомсостояниии
необразуютхимическогосоединения,создаетсямеханическаясмесь.Сплавбудетсостоятьиз
кристалловкаждогокомпонента.Рис.16.Твердыерастворынабазехимическогосоединения.
Рис.17.Здесьсохраняетсярешеткасоединения,приэтомчастьатомоврешеткирастворителя
заменяетсяатомамирастворяющегосяэлементаиливозникаютнезанятыеузлы(растворы
вычитания).Всплавахсуществуютэлектронныесоединения-фазыЮм-Розери,Лавесаи
внедрения.
Электронныесоединения-фазыЮм-Розериобразуютсямеждуметалламиизследующих
основныхгрупп:Cu,Ag,Au,Fe,Pd,Pt,cоднойстороны,иBe,ZnCd,Al,Sn,Si-сдругой.
Характеризуютсяопределеннымсоотношениемвалентныхэлектроновкчислуатомов(3/2-
ОЦК-βфаза;21/13-сложнаякубическаяячейкас52атомаминаячейкуγ-фазаи7/4-
гексагональнаярешеткаε-фаза),причемкаждомусоотношениюсоответствует
определеннаякристаллическаярешетка.ФазыЛавеса-устойчивыехимическиесоединенияс
ионнымтипомсвязейобразуютсяпреимущественномеждуэлементамиразличнойприродыи
ссущественноразличнымиатомнымиразмерами.Еслиатомныеразмерыразличаютсямало,
топоявляетсятенденциякобразованиюэлектронныхсоединений.Этифазысо
стехеометрическойформулойАВ2образуютсямеждуэлементами,атомныедиаметры
которыхнаходятсяприблизительновсоотношении1:1.2.ФазыЛавесавстречаютсякак
упрочняющиеинтерметаллидныефазывжаропрочныхсплавах.Фазывнедренияобразуют
металлыпереходныхгруппсметаллоидами,имеющимималыйатомныйрадиус(водород,

15
азот,углерод),еслиихобратноеотношениерадиусов,меньше0.59.Этифазыудовлетворяют
условиямхарактеризующим,химическоесоединение(М4Х,М2ХиМХ).Карбидыинитриды,
встречающиесявсталиявляютсяфазамивнедрения.
Понятиеофизико-химическоманализе.
Физико-химическийанализматериаловпроводитсядлядетальногоизучениясвойств.
Результатыегообычновыражаютсявграфическойформе,иллюстрирующейзависимость
показателейотхимическогосостава.Кфизико-химическомуанализупринадлежат
резистивныйметод,магнитногорезонанса,термическийанализ.Вматериаловедении
результатыфизико-химическогоанализаобъединяютсрезультатамиструктурных
исследований.Широкораспространентермическийанализ,применяемыйдляобнаружения
критическихточексталиисплавов,построениядиаграммсостояния.
Диаграммасостояниясистемсполнойрастворимостьюкомпонентов
втвердомсостоянии.
Диаграммысостоянияпоказываютизменениесостояниявзависимостиоттемпературыи
концентрации.Давлениевовсехслучаяхпостоянно,аскоростьохлаждениядостаточномала
дляпротеканиявсехпроцессов.Факторвременитакимобразомисключается.Диаграммы
(равновесного)состояниястроятсяэкспериментальнопотермическимкривым.Рис.19.
Рис.19.ПостроениедиаграммысостоянияCu-Niпотермическимкривым.Нарис.L-
жидкийрасплав;α-твердаяфазаизкристалловCu-Niпеременнойконцентрации;cad-линия
ликвидуса;cbd-линиясолидуса.Линияmn,соединяющаясостав,находящийсявравновесии
называетсяканодой.

16
Винтервалетемпературabвыпадаюткристаллытвердогорастворапеременнойконцентрации.
Составвыпадающихкристалловпоказываетлиниясолидуса,составоставшегосяжидкого
растворалинияликвидуса.Сначалавыпадаюткристаллы,богатыеникелем,какболее
тугоплавкие;вконцезатвердеваюткристаллы,богатыеболеелегкоплавкоймедью.Впроцессе
затвердеваниянепрерывнопроисходитдиффузия,котораястремитсявыравнитьсостав.Однако
вреальныхусловияхонанеуспеваетзавершиться.Послеокончательногозатвердеваниявсего
сплаваимеетсянеоднородность-ликвация(дендритная,междендритная,зональная).
Применениеправилаотрезков.
Правилоотрезковилиправилорычагаприменяетсядляопределенияколичественного
соотношенияфаз,находящихсявравновесииприданнойтемпературе.Согласноэтомуправилу
дляопределениявесовогоилиобъемногоколичестватвердойфазынеобходимовзять
отношениедлиныотрезка,примыкающегоксоставужидкойфазы,кдлиневсейканоды.Для
определенияколичестважидкойфазыберетсяотношениедлиныотрезка,примыкающегок
составутвердойфазы,кдлинеканоды.Ф.7и8.Рис.19.
a=[(t1m)/(mn)]*100%(7)Ж=[(t1n)/(mn)]*100%(8)
Правилоотрезковприменимонетолькоккристаллизующимсясплавам,новообщековсем
двухфазнымсплавамнезависимоотихагрегатногосостояния.
Внутрикристаллическаяликвация.
Врезультатенеравновеснойкристаллизациихимическийсоставобразующегосякристаллапо
сечениюоказываетсяпеременным.Осипервогопорядка,образующиесявначальныймомент
кристаллизации,обогащеныболеетугоплавкимэлементом.Периферийныеслоикристаллаи
межосныепространства,кристаллизующиесявпоследнююочередь,будутобогащены
компонентом,понижающимтемпературуплавлениясплава,иихсоставблизоккконцентрации,
соответствующейисходнойконцентрациисплава.Такаянеоднородностьсоставасплававнутри
кристалланазываетсявнутрикристаллической,илидендритнойликвацией.Дендритная
ликвацияустраняетсяотжигомпритемпературах,обеспечивающихдостаточнуюскорость
диффузии.

17
Лекция№4
Диаграммысостояниясистемсограниченнойрастворимостьюкомпонентоввтвердом
состояниисэвтектическимииперетектическимипревращениями.Понятиеоб
эвтектоидномиперитектоидномпревращениях.Диаграммысостояниясистемы,
образующейхимическоесоединение.Механическиеитехнологическиесвойствасплавов,
связьстипомдиаграммсостояния.Понятиеотрехкомпонентныхсистемах.
Диаграммысостояниясистемсограниченнойрастворимостью
компонентоввтвердомсостояниисэвтектическимии
перетектическимипревращениями.
Нарис.20.точкаdхарактеризуетпредельнуюрастворимостькомпонентаβвкомпонентеα,а
точкаскомпонентаαвкомпонентаβ.Сплав,соответствующийточке3,затвердеваетпри
постояннойтемпературеТ4.Притемпературенескольконижежидкийсплавоказывается
насыщеннымпоотношениюкобеимфазам(αиβ-твердымрастворам),таккакточка3
принадлежитсразудвумветвямликвидуса.Поэтомуизжидкостисостава3притемпературе
Т4одновременновыделяютсяпредельнонасыщенныекристаллытвердогораствораαdиβc,
образующиемеханическуюсмесь.
Рис.20.Диаграммасостояниясплавов,образующихограниченныетвердыерастворыи
эвтектику.
Сплавы,вкоторыхпроисходитодновременнаякристаллизацияαиβфазприпостояннойи
самойнизкойдляданнойсистемысплавовтемпературе,называютэвтектическими.Структура,
состоящаяизмеханическойсмесидвух(
илиболее)твердыхфаз,одновременно

18
кристаллизовавшихсяизжидкогосплава,называетсяэвтектикой.Впереводесгреческого-
"легкоплавящаяся".Сплавы,располагающиесявлевоотэвтектическогосоставаиимеющие
концентрациювпределахточекdb3,называютсядоэвтектическими,асправавпределах
концентрацииточек3ис-заэвтектическими.
Прикристаллизацииэвтектиксначалазарождаютсяирастуткристаллыα−твердогораствора,
богатогокомпонентомА.Жидкость,окружающаяэтоткристалл,обогащаетсявторым
компонентомВ,иврезультатеэтогопроисходитвыделениекристалликовαиβ-твердого
раствора.Жидкость,прилегающаякобразовавшимсякристалликамβ−фазы,всвоюочередь,
обогащаетсяметалломА,ипоэтомувновьвыделяютсякристалликиα-фазы,богатые
компонентомА.Врезультатепеременногопересыщенияжидкостипоотношениюкαиβ-
фазамобразуетсяэвтектическаяколония.
Процесскристаллизацииэвтектикипротекаетприпостояннойтемпературе,таккаксогласно
правилуфазприодновременномсуществованиитрехфазпостоянногосоставасистема
безвариантна.Накривойохлажденияобразуетсяплощадка.Одновременнокристаллизуются
двефазы.Послезатвердеваниясплавсостоитизкристалловэвтектики.
Диаграммасостояниясплавовсперетектикойприведенанарис.21.Линияacbнадиаграмме
соответствуетлинииликвидус,алинияadeb-линиисолидус.
Рис.21.Диаграммасостояниясплавов,образующихограниченныетвердые
растворыиперетектику.
ТочкаdхарактеризуетмаксимальнуюрастворимостькомпонентаВвкомпонентеА,аточкае-
предельнуюрастворимостькомпонентаАвкомпонентеВ.Линияcde-линия
перетектическогопревращения.Этопревращение,какиэвтектическое,протекаетвусловиях
существованиятрехфаз-жидкойидвухтвердыхαиβ.
Перетектическоепревращениеотличаетсяотэвтектического.При
перетектическом
превращениикристаллизуетсятолькооднафаза,образующаясяврезультатевзаимодействия
ранеевыделившейсятвердойфазыижидкойчастисплаваопределенногосостава(точкис).
Процессперетектическогопревращенияпроисходитприпостояннойтемпературе(f=0).
Процесскристаллизацииперетектическогопревращениянезаканчиваетсяпритемпературеt3,а
продолжаетсяизаканчивается,напримердлясплава2вточке,соответствующейтемпературе
t4.Длясплава1придостижениитемпературыt3налиниcdeвыделяютсякристаллыкакα-так

19
иβ-фазы.Впроцессеперетектическогопревращенияα-фазазарождаетсянаповерхностиβ-
кристаллов,обволакиваетихирастет.Врезультатеперетектическойреакциимогут
образовыватьсянетолькотвердыерастворы,ноинеустойчивыехимическиесоединения,
которыеплавятсяинконгруэнтно,т.е.приплавлениисоставжидкогорасплаванесовпадаетс
составомсоединения.
Понятиеобэвтектоидномиперитектоидномпревращениях.
Вприведенныхвышедиаграммахрассматривалисьпервичныепревращения,связанныес
процессомкристаллизациижидкогосплава.Привторичнойкристаллизациивследствие
изменениярастворимостисизменениемтемпературывыделяютсявторичныекристаллы.
Вторичнаякристаллизациянаблюдаетсяивтомслучае,еслиодинизкомпонентов
претерпеваеталлотропическиепревращения.Нарис.22показанадиаграммасостояния
системысограниченнойрастворимостьюкомпонентоввтвердомсостояниииналичием
полиморфныхпревращений.
Рис.22Диаграммасостояниясистемысограниченнойрастворимостью
компонентоввтвердомсостояниииналичиемполиморфныхпревращений.
Кристаллизациясплава1протекаетвинтервалетемпературточки1и2.Отточки2сплавв
формеβ−твердогорастворабудетохлаждатьсядоточки3.Нескольконижеточки3
произойдетперекристаллизациясплававтвердомсостоянииподиффузионномумеханизму.
Составпервыхα-кристалловопределяетсяточкой"
а"коноды"3а",затемонначнет
изменятьсявнаправленииточки"Т".ОдновременносоставизменяетсяполинииGRотточки3
доточкиR.Вточке4произойдетпревращениеоставшегосяβ−твердогорастворасостава
точкиRвсмесь,состоящуюизкристалловαиγ-твердыхрастворов.Этопревращение
напоминаетэвтектическое,таккакпроисходитпутемраспадаоднойфазыиобразованиядвух
новыхфаз.Однакораспадаетсянежидкий,атвердыйраствор.Превращение,подобное
эвтектическому,происходящеепутемраспадатвердогорастворанасмесьиздвухфаз
называетсяэвтектоидным.Отточки4доточки5происходитнезначительноеизменение
составовтвердыхрастворовαиγ,согласнокривымнасыщенияTNиMD.НалинииND
произойдетновоепревращение,протекающиевзаимодействиемдвухтвердыхфазαиγс
образованиемтретьей-твердогораствораδ.Этопревращениенапоминаетперетектическое.
Превращение,подобноеперетектическому,заключающиесявовзаимодействиидвухтвердых

20
фазиобразованииновойтвердойфазы,называетсяперитектоидным.Послеокончания
перетектоидногопревращениясистемабудетсостоятьиздвухтвердыхрастворовαиδ,
составыкоторыхпридальнейшемохлаждениибудутизменятьсяполиниямNCиOJ.
Длясплава2эвтектоидноепревращениенаступитвточке3,аперетектоидное-вточке4.
Диаграммысостояниясистемы,образующейхимическоесоединение.
Диаграммасостояниясистемысналичиемустойчивогохимическогосоединенияпоказанана
рис.23.
Рис.23.Диаграммасостояниясистемы,образующейустойчивоехимическоесоединение.
Всвязисособымисвойствамихимическогосоединениянадиаграммепоявляетсяордината
этогосоединения,соответствующаяегосоставу.Наэтойординатеоткладываетсятемпература
плавленияэтогохимическогосоединенияt3.Ординатаделитдиаграммусостояниянадве
части,каждаяизкоторыхпредставляетпростейшийэвтектическийтипдиаграммсостояния.
Химическоесоединениенеявляетсякомпонентом,таккакобразуетсяпутемвзаимодействия
компонентовАиВ.Вышеточки1присутствуетжидкость,нескольконижеточки1происходит
образованиеиросткристалловAmBn.Вточке2жидкийрастворсоставаЕ2будет
кристаллизоватьсясобразованиемэвтектики,состоящейизкристалловкомпонентаАи
химическогосоединенияАmBn.Витогекристаллизациирасплавсостава1будетсостоятьиз
кристалловкомпонентаАmBnиэвтектики,состоящейизкристалловхимическогосоединения
АmBnикристалловкомпонентаА.Еслихимическоесоединениенеустойчиво,образуется
диаграммасоскрытыммаксимумом.Сначалабудуткристаллизоватьсячистыекомпоненты,
затемвыпадуткристаллыхимическогосоединения.Взаимодействиемдвухфазбудет
образованатретья:произойдетперетектическоепревращение.
Механическиеитехнологическиесвойствасплавов,связьстипом
диаграммсостояния.

21
Механическиеитехнологическиесвойствасплавовсвязаныстипомдиаграммсостояния.Эту
связьустанавливаетзаконН.С.Курнакова.ВсоответствиисзакономКурнакова
закономерностьизменениясвойстввзависимостиотконцентрацииопределяетсятипом
взаимодействиякомпонентовсистемыилитипомдиаграммы.Этопредставленографическина
Рис.24.ЗаконКурнаковапозволяетнаоснованиидиаграммысостоянияприблизительнорешать
вопрососвойствахсплавов.Например,известно,чточистыеметаллыобладаютнизким
электросопротивлением.Чтобыполучитьсплавсвысокимэлектосопротивлением,нужно
выбратьсистемусплавоввтороготипа,укоторой(твердыерастворы)свойстваменяютсяпо
кривойсмаксимумом.
Понятиеотрехкомпонентныхсистемах.
Дляизображениясоставатройногосплаваобычнопользуютсяравностороннимтреугольником.
Точкинаввершинахобозначаютчистыекомпоненты,каждаястороны-соответствующий
двойнойсплав,аплоскость-тройныесплавы.Рис.25.Диаграмматройногосплавадляслучая
полнойвзаимнойрастворимостивтвердомижидкомсостоянияхиотсутствиемхимических
соединенийизображенанарис.26.
Рис.25.Концентраци-Рис.26.Тройнаядиаграм-Рис.27.Политерми-
онныйтреугольник.
мавтороготипа.
ческоесечение.
Изучениедиаграммтройныхсплавовобычнопроизводятприпомощигоризонтальных,
изотермическихивертикальныхполитермическихсечений,рис.27.Имеявертикальное
сечениеа-вилипсевдобинарнуюдиаграмму,можнолегконаходитькритическиеточки,строить
кривыеохлажденияипредставитьвсеизменениявструктуресплава.Недостатком
политермическогосеченияявляетсяневозможностьопределенияконцентрацииравновесных
фаз.

22
Превращениявсложныхсистемахсплавов,вкоторыхбольшетрехкомпонентов,производится
спомощьюполитермическихсечений,предполагаемыхдиаграмм(ложныхдвойныхдиаграмм).
Например,системанержавеющейстали(Fe-C-Cr-Ni-Ti)изображаетсяпостроениемсерии
двойныхдиаграммFe-Ccпостояннымсодержаниемостальныхкомпонентов.

23
Лекция№5
Фазовыепревращениявжелезоуглеродистыхсплавах.Диаграммажелезо-цементит.Фазы
иструктурныесоставляющиесталиибелыхчугунов.Кривыеохлажденияианализ
фазовыхпревращенийжелезоуглеродистыхсплавов.
Фазовыепревращениявжелезоуглеродистыхсплавах.Диаграмма
железо-цементит.
Нарис.28представленадиаграммажелезо-цементит.(см.лаб.раб.N2)При
охлаждениижелезоуглеродистыхрасплавовпроисходятфазовыепревращения:
1.Перетектическаяреакция:α-твердый
Остатки
g-твердый
раствор
расплава1493
раствор
ТочкаН+ТочкаВ_____ТочкаI
0.1%С
0.51%С
0.16%С
Рис.28Диаграммажелезо-цементит(метастабильная).
2.Эвтектическаяреакция:Расплав
γ-твердый
Fe3C
ТочкаС1147С
раствор+ТочкаF
4,3%С_____
ТочкаЕ
6,67%С
2.06%С
3.Эвтектоиднаяреакция:γ-твердый
α-твердый
Fe3C
раствор723С
раствор+точкаК
ТочкаS______
ТочкаР
6,67%С
0.8%С
0.02%С

24
Нарис.28-криваяликвидусаABCD;-криваясолидусаAHIECF;-углеродпонижает
температуруплавленияжелеза(линияABC);-железотакжепонижаеттемпературу
плавленияуглерода(иFe3C)(V-образнаяформадиаграммы,D-C);-температураА4
(линияNH)растетcувеличениемсодержанияуглерода(линияN-I);-температураА3
(линияGOS)уменьшаетсясувеличениемсодержанияуглерода;-областьγ-твердого
растворарасширяетсясувеличениемсодержанияуглерода.
Эвтектоидныйсплав:точкаS=0.83%С=перлит.Доэвтектоидные
сплавы:отточкиРкточкеS=0.02до0.83%С=α-Fe+перлит.Заэвтетоидн
ыесплавы:отточкиSкперпендикуляруизточкиЕ=от0.83до2,06%С=Fe3C+
перлит.Эвтектическийсплав:точкаС=4.3%С=ледебурит.Доэвтетиче
скиесплавы:отперпендикуляраизточкиЕкперпендикуляруизточкиС=от2.06до
4.3%С=Fe3C+перлит+ледебурит.Заэвтектическиесплавы:отточкиСк
точкеF(перпендикуляр);более4.3%С=Fe3C+ледебурит.Положениеосновных
точекдиаграммыжелезо-цементитпоказановтаблице1.
Таблица1.
Положениевдиаграмме
железо-цементит
Видпревращения
Обозначениепревращения
PSK
723C
α+Fe3C=γ
A1
MO
ферромагнитное
===============768С
парамагнитное
А2
G
915С
α=============γ
900С
А2
GOS
α+γ=γ
А3
SE
γ+Fe3C=γ
Аm
N
1392С
γ======δ
Аm
NH
γ+δ===δ
A4
Фазыиструктурныесоставляющиесталиибелыхчугунов.
Основнымикомпонентами,изкоторыхсостоятсталиичугуны,являютсяжелезои
углерод.Всистемежелезоцементитимеютсяследующиефазы:1.жидкаяфаза,2.
Аустенит-твердыйрастворуглеродавγ-Fe.3.Цементит-карбиджелезаFe3C.4.
Феррит-твердыйрастворуглеродавα-Fe.
Структурнымисоставляющимидиаграммыжелезо-углеродявляются:
1.Феррит(названиевведенопоХоу).Можетсодержатьвтвердомрастворетолько
0.00001...0.000001%С.Поэтомуобластьегосуществованияоченьмала(узка).
Максимумрастворимостиоколо0.02%(723С,точкаР).
2.Перлит.Эвтектоид,состоящийизα-твердогораствораиFe3C(нижеточкиS).
Мелкодисперснаясмесьобеихфаз.Наименованиеперлит(такжепредложеноХоу)
связаносперламутровымблеском.Происходящийпринепрерывномохлаждениипри
723Сэвтектоидныйраспадγ-твердогорастворасвязансвыделениемпри
непрерывномохлаждениитонкихпараллельныхцементитныхпластин;образуется
пластинчатыйперлит.

25
3.Ледебурит.НазванвчестьЛедебура.Смесьγ-твердогораствораицементита.
Эвтектика(точкаС,4.3%С).Сплавы,содержащиеот2,06до6,67%Сиимеющиев
структуреледебуритявляютсябелымичугунами.Возможнотакжеследующие
обозначение:ледебуритI(γ-твердыйраствориFe3C)иледебуритII(перлитиFe3C).
Формысуществованияцементита:
-ПрисодержанииСболее0.00001%происходитвыделениетретичного
цементита.ПримедленномохлаждениипроцессидетполинииPQ.Прибыстром
охлаждениичастьуглеродаостаетсявтвердомрастворе,выделениетретичного
раствораподавляется.Форма-пластинкиипрожилки,атакжеиголкивферритном
зерне.
-Цементитперлита.Наблюдаетсяужеприсодержанииуглеродаболее0.02%.
Тонкопластинчатаяформазеренцементита.
-Вторичныйцементит.Продуктвыделенияизγ−твердогораствора.При
охлаждениивыделениепроисходитполинииES.Форма:цементитнаясетка,
цементитпограницамзерен.
-Цементитледебурита.Присодержанииуглеродаболее2.06%-цементитвдо-и
заэвтектоидныхсплавах.
-Первичныйцементит.При4.3%С;вобщемслучаепоявляетсяприоченьбыстром
охлаждениивысокоуглеродистыхсплавовдокомнатнойтемпературы.Форма:
длинныекрупныепластины.
Кривыеохлаждения
ианализфазовыхпревращений
железоуглеродистыхсплавов.
а
б
Рис.29.Кривыеохлаждениядоэвтектоиднойстали(а)идоэвтектическогочугуна(б).
Припонижениитемпературывсплаве1(рис.29а)долинииликвидус(точкаt1)из
жидкойфазыначинаютвыделятсякристаллыδ-ферритаисплавстановится
двухфазным(жидкийсплавикристаллыδ-феррита).Степеньсвободысистемыравна

26
единице.f=2+1-2=1.Составтвердогораствораприпонижениитемпературы
меняетсяполиниисолидус,асоставжидкогосплаваполинииликвидус.Например,
притемпературеtп(1499С)вравновесиинаходитсяδ-ферритсоставаточкиН(0.1%)
ижидкаяфазасоставаточкиВ(0.51%С).Притемпературе1499С(f=2+1-3=0)
протекаетперетектическаяреакция.Нижеперетектическойтемпературыизжидкого
сплавакристаллизуетсяаустенит.Притемпературеt3сплавполностьюзатвердевает.
Винтервалетемпературt3-t4(f=2+1-1=0)существуеттолькоаустенит.При
понижениитемпературынескольконижекритическойточкиА3(линияGS)изаустенита
выделяетсяферрит.Сплавполучаетдвухфазноесостояние:аустенитиферрит(f=2+
1-2=1).СоставаустенитаприпонижениитемпературыизменяетсяполинииGS,а
феррита-PG.Приt=727С(А1)содержаниеуглеродаваустенитедостигает0.8%
(точкаS).Аустенит,имеющийэвтектоидныйсостав,распадаетсясодновременным
выделениемизнегоферритаицементита,образующихперлит.Эвтектодныйраспад
аустенитапротекаетпри727С.Системабезвариантна.Присутствуюттрифазы:
феррит(0.02%С),цементитиаустенит(0.8%С).(f=2+1-3=0).Аналогичные
превращенияпротекаютвлюбойдоэвтектоиднойстали.Структурадоэвтектоидной
сталиферритплюсперлит.Взаэвтектоиднойсталинакривойохлажденияотсутствует
выделениеδ-феррита.Накривойохлаждениянаблюдаетсяперелом,вызываемый
выделениемизжидкостикристалловаустенита(f=2+1-2=1).Составкристаллов
меняетсяполиниисолидусJE,ажидкойфазыполинииликвидусBC.Докритической
точкиАm(SE)сплавсостоиттолькоизкристалловаустенита.НижелинииSEсплав
двухфазный(аустенит+цементитвторичный).НалинииPSKаустенитраспадаетсяс
образованиемперлита.Структуразаэвтектоидныхсталейперлитицементит
вторичного.
Сплав2(рис.29б)иллюстрируетохлаждениечугуна.Нижетемпературыt1сплав
имеетдвухфазноесостояние:жидкостьикристаллыаустенита.f=2+1-2=1.При
температуре1147С(линияЕС)аустенитдостигаетпредельнойконцентрации,
указываемойточкойЕ(2.14%С),аоставшиесяжидкость-эвтектическогосостава4.3%
С(тоскаС).Оназатвердеваетприодновременнойкристаллизациидвухфаз
(аустенитаицементита),образующихледебурит.Процессэвтектической
кристаллизациипротекаетприпостояннойтемпературе(накривойохлаждения
имеетсяплощадка).Присутствуюттрифазыаустенит(2.14%С),цементита(6.67%С)
ижидкости(4.3%С).f=2+1-3=0.Послезатвердеваниячугунсостоитизкристаллов
аустенитапредельнойконцентрациииледебурита(аустенит+цементит).При
дальнейшемохлажденииизаустенитавыделяетсяцементит.Составаустенита
изменяетсяполинииSE.Притемпературе727С(линияPSK)аустенит,обедненный
углеродомдоэвтектоидногосостава(0.8%С),указываемоготочкойS,распадается
одновременнымвыделениемдвухфаз:ферритаицементита,образующихперлит.
Структурадоэвтектическихчугуновсостоитизперлита,ледебуритаивторичного
цементита.Эвтектическийчугун(4,3%С)кристаллизуетсяпритемпературе1147С
(площадканакривойохлаждения).Структураэвтектическогочугуналедебурит.При
дальнейшемохлажденииизаустенитавыделяетсявторичныйцементит,апри
температуре727Спроисходитэвтектоидныйраспадаустенита,содержащего0.8%С
(точкаS)cобразованиемперлита.Притемпературевыше727Следебуритсостоитиз
аустенитаицементита,апритемпературениже727С-изперлитаицементита.
.

27
Лекция№6
Строениеисвойствачугунов.Диаграммасостоянияжелезо-графит.Фазовые
превращениявчугунах.Структурачугунов.Влияниепримесейискоростиохлаждения
(толщиныотливки)наструктуручугунов.Чугуныспластинчатым,шаровидным,
вермикулярнымихлопьевиднымграфитом:ЧПГ,ЧШВ,ЧВГ,ЧХГ.Механические
свойствачугунов.Антифрикционныеилегированныечугуны.
Строениеисвойствачугунов.Диаграммасостоянияжелезо-графит.
Фазовыепревращениявчугунах.
ОднойизглавныхособенностейFe-Cсплавовявляетсядвойственныйхарактер
превращений,происходящихприизменениивнешнихусловий.
Этообъясняетсясуществованиемдвухвысокоуглеродистыхфаз:стабильной(графит)
иметастабильной(цементит).Поэтомупользуютсядвумядиаграммамисостояния:
однахарактеризуетстабильныефазовыесостояниежелезоуглеродистыхсплавов,
когдаеекомпонентамиявляютсяжелезоиуглерод(графит);другаяметастабильные
фазовыесостояния,еекомпонентамиявляютсяжелезоицементит(Fe3С).Нарис.30
показанадиаграммажелезо-углерод.Тонкиелиниисоответствуютвыделению
графита,жирные-цементита.
Рис.30.Стабильнаядиаграммажелезо-углерод.
Возможностьреализацииоднойилидругойдиаграммывсплавахопределяется
условияминагревадовысокихтемператур,величинойскоростиохлаждения,атакже
присутствиемразличныхчастонеизбежныхпримесейилиспециальновведенных
элементов.Встабильнойсистемепритемпературах,соответствующихлинииС`D`,
кристаллизуетсяпервичныйграфит.Притемпературе1153С(линияE`C`F`)
образуетсяграфитнаяэвтектика:аустенит+графит.ПолинииE`S`выделяется
вторичныйграфит,апритемпературе738С(линияS`K`)образуетсяэвтектоид,
состоящийизферритаиграфита.Еслиприэвтектическойкристаллизациивыделяется
толькографит,точугунназываютсерым(ГОСТ1412-85),еслиграфитицементит-
половинчатым,иеслитолькоцементит-белым.Вероятность

28
образованиявжидкойфазе(илиаустените)метастабильногоцементита,содержащего
6.67%С,значительнобольше,чемграфита,состоящеготолькоизатомовуглерода.
Графитобразуетсятолькоприоченьмалойскоростиохлаждения,когдастепень
переохлажденияжидкойфазыневелика.Ускоренноеохлаждениечастичноили
полностьюпрекращаеткристаллизациюграфитаиспособствуетобразованию
цементита.Припереохлаждениижидкогочугунаниже1147Собразуетсяцементит.
Выделениеструктурносвободногоуглеродавозможноивстали.Явление
графитизациииспользуетсяприсозданииспециальных
инструментальных
легированныхграфитизированныхсталей.Графит-твердаясмазка.Простые
углеродистыесталиссодержаниемСболее1.4-1.6%невыпускаютсяиз-заопасности
графитизации,снижающейпрочность.Вмеханикематериаловграфитнуюфаза
принимаютза"пустоты".Основноеотличиефазовыхпревращенийвчугунеявляется
процессывыделенияграфита.
Структурачугунов.Влияниепримесейискоростиохлаждения
(толщиныотливки)наструктуручугунов.
Вжидкомчугунеприсутствуютразличныевключения(графит,SiO2,Al2O3идр.).Эти
частицыоблегчаютобразованиеиростграфитныхвключений.Приналичииготовых
зародышейпроцессобразованияграфитаможетпротекатьипритемпературах,ниже
1147С.Этомуспособствуетлегированиечугунакремнием,которыйинтенсифицирует
процессграфитизации.
Рис.31.Структурныедиаграммычугуна.Зависимостиструктурыотсодержания
углеродаикремнияитолщиныотливки(стенки).1-белые,2-половинчатые,3-серые
перлитные,4-серыеперлито-ферритные,5-ферритныесерыечугуны.
Графит,образующийсяизжидкойфазы,растетизодногоцентраиразветвляясьв
разныестороны,приобретаетформысильноискривленныхлепестковипластинок.
Образованиеграфитаизжидкойфазыираспадпервичногоиэвтектического
цементитанааустенитиграфитназываютпервичнойстадиейграфитизации.При
последующеммедленномнагревевозможновыделениеграфитаизаустенитаи
образованиеэвтектоидногографитавинтервалетемператур738-727С.Выделение
вторичногографитаизаустенитаназываютпромежуточнойстадиейграфитизации.

29
Образованиеэвтектоидногографита,ат.ж.распадэвтектоидногоцементитанаграфит
иферритназываютвторойстадиейграфитизации.Основнаямассаграфитавсерых
чугунахобразуетсявпериодпервойстадии.Нарис.31показаныструктурные
диаграммычугунов.Чемменьшетолщинастенкиотливки,тембольше
переохлаждение,темвышескоростькристаллизации.
Чугуныспластинчатым,шаровидным,вермикулярными
хлопьевиднымграфитом:ЧПГ,ЧШВ,ЧВГ,ЧХГ.Механические
свойствачугунов.Антифрикционныеилегированныечугуны.
Графитвчугунахсуществуетвследующихформах:
-пластинчатыйграфит,ввиделепестков,прожилок;-вермикулярны
й(илимелкопластинчатый)графит,разновидностьпервого,приэтомпластиныпохожи
нанити;-шаровидный(глобулярный)графит;-хлопьевидныйграфит.
Возможныеформыграфитавчугунепоказанынарис.32.
1
2
3
4
Рис.32.Возможныеформыграфитавчугунах.1-пластинчатый,2-
мелкопластинчатый(вермикулярный),3-хлопьевидный,4-шаровидныйграфит.
Дляполученияшаровидногографитаприплавкечугунаприменяютприсадкумагния
(илицерия).Такаяформаграфитовыхвключенийвструктурематериаласоздает
значительноменьшуюконцентрациюмеханическихнапряжений.Чугунсглобулярным
графитомназываютвысокопрочным.МаркиВЧ30,ВЧ100.ГОСТ7293-85.
Приотжиге,используянеустойчивостьцементита,происходитраспадцементита.
Образующийсяграфитприобретаеткомпактную,почтиравноосную,нонешаровидную
форму.Такойграфитназываютхлопьевидным.Впрактикетакойчугунназывают
ковким.МаркиКЧ33-8,КЧ80-1,5.ГОСТ1215-79.
Чугунывоспринимаюттермическуюобработку.Например,используетсязависимость
видазатвердеванияотскоростиохлаждения.Поверхностьприэтомподлежитбелому
затвердеванию(наличиецементитаобеспечиваетвысокуютвердость),втовремякак
внутриотливкисуменьшающейсяскоростьюохлажденияпроисходитпереходот
половинчатогодосерогозатвердеваниячугуна.Притермообработкедетали,
предназначеннойподтрениеиизнашиваниепоучаютотбеленнуюповерхность.
Механическиесвойствачугуна:сопротивлениеразрыву,изгибу,кручению,
обусловленыколичествомиформойграфита.Пределпрочностиприсжатиии
твердостьчугуназависятотстроенияметаллическойосновы.Влияниеформы
графитовыхвключенийиструктурыметаллическойосновынапластичность,твердость
чугунапоказановтабл.2.Наличиеструктурносвободногографитаобеспечивает
хорошуюобработкусоснятиемстружки.Антифрикционныесвойствачугуна,например,
подшипниковлучше,чемстали.Необходимыесвойстваполучаютсяблагодарятому,
чтосредствасмазкивымывают
Таблица2
Графит
Пластинчатый
Хлопьевидный
Шаровидный
δ,%
0.2-0.5
5-10
10-15
Чугун
ФерритныйФеррито-перлитный
Перлитный

30
ТвердостьНВ
150
200
250
графит,имогутобразовыватьсянакоплениясмазочногоматериала.К
антифрикционнымчугунампринадлежатмарки:АЧС,АЧК,АЧВ.ГОСТ1585-85.Такие
чугуныприплавкелегируютникелем,хромом,титаном,алюминием,свинцоми
магниемнеболее0.5%.Легированныесортачугунаобладаютстойкостьюпротив
морскойводыиобладаютхорошейустойчивостьюпротивмногихкислотищелочей.
ГОСТ7769-82.Похимическомусоставуразличаютнесколькогрупплегированных
чугунов:хромистые(ЧХ16М2),кремнистые(
ЧС15М4),алюминиевые(
ЧЮ6С5),
марганцевые(ЧГ7Х4)иникелевые(ЧНХТ),апоусловиямэксплуатации:жаростойкие,
жаропрочные,износостойкие,коррозионностойкиеинемагнитные.Приэтомодинитот
желегирующийэлементпридаетчугунунесколькоспециальныхсвойств.Втабл.3.
приведенаданныефизико-механическихсвойствчугуна.
Таблица3
маркабв,МПаδ,%НВ,МПАметаллич
еская
основа
Графит
Предель
ные
режимы
работы,
p/v
ГОСТ
СЧ1098
1430-
2290феррит-
перлит
пластинчатыйнет
данных1412-85
ВЧ3510002
2700-
3600бейнит
шаровидныйнет
данных7293-85
КЧ30-6294
6
1000-
1630ферритхлопьевидныйнет
данных1215-79
АЧС-1нет
данных
нет
данных1800-
2410перлит
пластинчатый5/5
1585-85
ЧС15М
4
60
2949-
3940ледебуритнет
нет
данных77769-82

31
Лекция№7
Углеродистыеилегированныестали.Строениеисвойствасталей.Влияниеуглеродаи
постоянныхпримесейнаструктуруисвойствастали.Классификациясталейпосоставу,
качествуиструктурнымклассам.Влияниелегирующихэлементовнаструктуруи
фазовыепревращениявстали.Тенденцияразвитияпроизводствастали.
Углеродистыеилегированныестали.Строениеисвойствасталей.
Углеродистойстальюназываетсясплавжелезасуглеродом,содержащимдо2%Си
постоянныепримеси:кремнийдо0.5%,марганецдо1%,сераифосфордо0.05%.
Элементы,специальновводимыевстальприеепроизводствевопределенных
концентрацияхсцельюповышенияеесвойствназываютлегирующими,асталь-
легированной.Основнымэлементом,припомощикоторогоизменяютсясвойствастали
являетсяуглерод.Кчислунаиболеечастоиспользуемыхспециальныхлегирующих
элементовотносятсяCr,Ni,Mo,V,Ti,W,SiиMn.Свойствасталивзначительной
степениопределяютсятем,какиефазыобразуютсяприсплавлениислегирующими
элементами,врезультатетермическойобработки.Основнымиструктурными
составляющимисталейявляютсяферрит,аустенит,перлит,ледебурит,сорбит,
троостит,бейнитимартенсит.Легирующиеэлементыприсутствуютвсталяхввиде
твердогорастворавжелезе,ввидекарбиднойфазы,вформеинтерметаллидных
соединенийсжелезом,бором,азотом,кремниемиуглеродомилимеждусобой.
Каждаяструктураопределяетсяхимическимсоставомитехнологиейстали,т.ж.
зависятеесвойства.Обычно,стальимеетплотность7.6-7.9г/см.куб.,временное
сопротивлениерастяжениюот800до3000МПа,относительноеудлинениеот5до12
%,ударнуювязкостьот10до160Дж/см.кв.
Влияниеуглеродаипостоянныхпримесейнаструктуруисвойства
стали.
Влияниесодержанияуглероданаосновныемеханическиесвойствасталипоказанона
рис.33.Сувеличениемсодержанияуглеродаизменяетсяструктурастали.Сталь,
содержащаяуглеродаменьше0.8%,состоитизферритаиперлита,присодержанииС,
равном0.8%,стальсостоиттолькоизперлита,приувеличениисодержанияуглерода
более0.8%всталикромеперлитапоявляетсявторичныйцементит.Изменение
химическогосоставаприводиткизменениюструктурысталииеесвойств.Увеличение
содержанияуглеродаприводиткповышениюпрочностиипонижениюпластичности.
Приводимыемеханическиесвойстваотносятсякгорячекатаннымизделиямбез
термическойобработки,т.е.приструктуреперлит+ферритилиперлит+цементит.С
увеличениемсодержанияуглеродаплотностьизменяетсянезначительноот7.85до7.7
г./см.куб.,коэрцетивнаясила,электросопротивлениевозрастаютнаот3до18Э.иот
0.12до0.23ОМммкв/м,соответственно,приизмененииСот0.2до1.6%.
Хрупкойфазойвсталиявляетсяцементит.Увеличениесодержанияуглеродаприводит
всталикобразованиюструктурнаосновеперлита(феррит+цементит),всвязисчем
приС=0.8%прочностьсталиприрастяженииначинаетпадать,атвердость
продолжаетувеличиваться.Длясохраненияпрочностныхсвойствстремятсяполучить
непластинчатый,азернистыйцементитпослетермическойобработки.

32
Постояннымипримесямивсталисчитаютмарганец,кремний,фосфор,серу,атакже
газы(водород,азот,кислород).Обычносодержаниеихограничиваетсяверхними
пределами:%0.8Mn;0.5Si;0.05S;0.05P.
Рис.33.Влияниесодержанияуглероданамеханическиесвойствастали.
Марганец-вводятвстальприраскислениидляустранениявредноговлияния
закисижелеза.Mnповышаетпрочностьгорячекатаннойстали,прокаливаемость,
упругиесвойства.Присодержанииболее1.5%сообщаетсклонностькотпускной
хрупкости.Присодержанииболее13%ивышепридаетсталиаустенитнуюструктуру,
противоударнуюстойкость,высокуюизносостойкость.Принагревеспособствуетросту
зерна.

33
Кремний-вводитсядляраскисления.Полностьюрастворимвферрите.
Увеличиваетпрочность,износостойкостьипридаетантифрикционныеиупругие
качества.Более2%-снижаетпластичность.Повышаетпрокаливаемость,но
увеличиваеттемпературызакалки,нормализациииотжига.
Фосфор-Растворяясьвферрите,вызываетхладноломкостьстали.При
совместномдействииСиР(Рнеболее1.2%)вызываетсяфосфиднаяэвтектика,
плавящаясяприТменее1100С.Фосфор-вреднаяпримесьстали.Однакоповышает
обрабатываемостьрезаниемивприсутствиимедиповышаетсопротивлениекоррозии.
Сера-нерастворимавжелезе,образуетсFeсоединениеFeSсульфиджелеза.
Последнийвходитвсоставэвтектик,плавящихсяпри988С.Наличиезеренхрупкойи
легкоплавящейсяэвтектикипограницамзеренсталиделаетеепритемпературах800
Сивыше(врайонетемпературкрасногокаления)-красноломкой.Вт.ж.
время,сераповышаетобрабатываемостьрезанием.Вредноевлияниесеры
нейтрализуютвведениеммарганца,образующегоснейсульфидMnS.MnSпригорячей
обработкедавлениемдеформируетсяисоздаетпродолговатыелинзы-строчки.Их
присутствиестали,какидругихвключений,всталинедопустимодляответственных
изделий.MnSстремятсяперевестившлакприплавкестали.
Водород,азот,кислород-растворяютсявстали.Кислородиазот
образуюттвердыетруднодеформирующиесявредныевключения.Водородвызывает
флокены.Агазывообще-эффектыдеформационногостарения,снижающие
усталостныехарактеристики(вязкостьипорогхладноломкости).Неметаллические
включенияпослеобработкидавлениемсоздают-полосчатость(илистро
чечность),вызывающуюсильнуюанизотропиюсвойств.Дляустранения
вредноговлияниярастворяющихсягазовприменяютвакуумнуюразливкусталии
специальныеприемыраскисления.
Классификациясталейпосоставу,качествуиструктурнымклассам.
Всоответствииссовременнымистандартамиуглеродистыеилегированныестали
разделяютна:конструкционныелегированныестали,сталиобыкновенногокачества,
углеродистыекачественныеконструкционныестали,повышеннойобрабатываемости
(автоматные)стали,рессорно-пружинныестали,подшипниковыестали,углеродистые
инструментальныестали,инструментальныелегированныестали,литейныестали,
коррозионностойкиестали,порошковыестали.
Множествосталейотноситсякгруппемашиностроительныхматериаловсповышенной
ивысокойпрочностью.Вэтомслучаесталиразделяютнауглеродистыеи
низколегированныестали,высокопрочныесреднелегированныестали,высокопрочные
высоколегированные(
мартенситно-стареющие)стали.Легированныестали
классифицируютпочетыремпризнакам:поравновеснойструктуре,поструктурепосле
охлаждениянавоздухе,посоставу,поназначению.
Посодержаниюуглеродасталиразделяютсянамалоуглеродистыедо0.2-0.2%,
среднеуглеродистыеивысокоуглеродистыестали0.6-1.7%С.
Поструктуре-доэвтектоидные(феррит+перлит),эвтектоидные(перлит)и
заэвтектоидные(перлит+цементит)стали.
Поспособувыплавкисталиделятсянакипящую,полуспокойнуюиспокойную
сталь.Слиткикипящейсталиимеютвструктуребольшоеколичествогазовыхпузырей
-результатраскислениясталивизложницахивыделенияСО.Крометого,различают

34
сталинамартеновские,полученныевконвертерахиэлектропечах,вустановках
непрерывнойразливкисталиит.п.Способвыплавкивлияетнахимическийсостав:
содержаниепримесейинеметаллическихвключений,витогенакачествостали.
Конструкционныестали(машиностроение)разделяютсяпотехнологическим
признакамнацементуемые(
Собычнонеболее0.2%),улучшаемые
(подвергающиесяТО-улучшению)иавтоматныестали.
Покачеству:обыкновенногокачества-углеродистаяширокогоприменения,
качественная-длядеталеймашин,рессор,пружинит.д.,высококачественную-с
минимальнымсодержаниемсеры,фосфора,минимальнымсодержанием
металлическихвключений.
Углеродистыесталиклассифицируютпоназначению.Этостали:общегоназначения
Ст0,Ст1кп,СтГпс(ГОСТ380-88),нелигированныедляотливок15л,50л,35л(ГОСТ
977-79),рессорно-пружинные65,70,80,85(ГОСТ1459-79),повышеннойивысокой
обрабатываемостирезаниемА11,А20,А30,А40Г(ГОСТ1414-75),среднеуглеродистые
пониженнойпрокаливаемостиНИПРА,50ПСТ,качественныеконструкционныестали
05,08,10,15,55ПП,60(ГОСТ1050-74).
Влияниелегирующихэлементовнаструктуруифазовые
превращениявстали.
Всеэлементы,которыерастворяютсявжелезе,влияютнаегополиморфизм,т.е.
сдвигаютточкиА3иА4.БольшинствоэлементовилиповышаютточкуА4иснижают
точкуА3,расширяятемсамымобластьсуществованияγ-модификации,илипонижают
А4иповышаютА3,сужаяобластьγ-модификации.Образуютсяаустенитные,
ферритныеипереходныестали.Схематичноэтопоказанонарис.34.
Рис.34.Влияниелегирующихэлементовнаполиморфизм
железа.
Легирующиеэлементырастворяютсявферрите(замещениеивнедрение).Свойства
ферритаизменяются.Твердостьипрочность,какправилоповышаются.Ударная
вязкостьтакжерастет,однакоустойчивотолькодляникеля(до5%)ихрома,марганца
толькоприконцентрациинеболее1.0-1.5%.Легирующиеэлементымогут
растворятьсявцементитеилисамостоятельносоединятьсясуглеродом.Все
легирующиеэлементывсталяхразделяютсянадвегруппы:карбидообразующие(Mn,
Cr,Mo,W,Nb,V,Zr,Ti)икарбидонеобразующие(Ni,Si,Cu,Co,Al).Карбидывносятв
стальповышениетвердости,износостойкости,сопротивлениедеформированию.
Карбидывсталяхразнообразныпосоставуистроениюиобъединеныобщим
названием"карбиднаяфаза".ЛегирующиеэлементысмещаютточкиSиЕдиаграммы

35
железо-цементитвлево,образуяледебуритныйкласссталей.Дополнительные
сведенияразделаприводятсявлекции№8.
Тенденцияразвитияпроизводствастали.

36
Лекция№8
Фазовыепревращениявсплавахжелезо-углеродвтвердомсостоянии.Фазовые
превращенияпринагревестали.Ростзернааустенита.Мелкозернистыеи
крупнозернистыестали.Понятияопревращенияхвпереохлажденномаустените
(перлитное,бейнитное,мартенситное).Метастабильныеструктуры.Диаграммы
изотермическогопревращенияпереохлажденногоаустенита.Видытермической
обработкиматериалов.
Фазовыепревращениявсплавахжелезо-углеродвтвердом
состоянии.Фазовыепревращенияпринагревестали.
Фазовыепревращениявсплавахжелезо-углеродвтвердомсостоянии
рассмотреныранеевразделеФазовыепревращениявжелезоуглеродистых
сплавах.Диаграммажелезо-цементит.Принагревесталипротекаютследующие
превращения:
1.Превращенияперлитаваустенит,протекающиевышеточкиА1,вышетемпературы
стабильногоравновесияаустенит-перлит;приэтихтемпературахизтрехосновных
структурминимальнойсвободнойэнергиейобладаетаустенит.
Fe+Fe3C-Fe(C)илиП-А.
2.Превращениеаустенитавперлит,протекающиенижеА1:
Fe(C)-Fe+Fe3CилиА-П
ПревращениеперлитаваустенитвполномсоответствиисдиаграммойсостоянияFe-
Cможетсовершитьсялишьприоченьмедленномнагреве.Приреальномнагреве
превращениезапаздывает,превращениепроисходитлишьпритемпературах
перегрева(несколькоболеевысоких,чемнадиаграммеFe-C).Перенагретыйвыше
критическойточкиперлитсразличнойскоростьювзависимостиотстепени
перенагревапревращаетсяваустенит.
Рис.35.Превращениеперлитаваустенитприпостояннойтемпературе
длястали,содержащей0.86%С.
Расположениекривыхпоказывает,чточемвышетемпература,тембыстрее(т.е.за
меньшийотрезоквремени)протекаетпревращение.Лучсоответствуетнагревусталис
какой-тоопределеннойскоростьюV
2.Онпересекаетлинииначалаиконца
превращениявточкахa''иb''.Следовательно,принепрерывномнагревесоскоростью
V2фиксируетсяпревращение,протекающиевинтервалетемпературотточкиa''до
точкиb''.Еслинагревбылболеемедленным,толучV
1пересекаеткривые

37
превращенияприболеенизкихтемпературах(точкаa'иb')ипревращениепроизойдет
тожеприболеенизкихтемпературах.Кривыеконцаиначалапревращения,
асимптотитическиприближаяськгоризонталиА1пересекутеевбесконечности.Нагрев
сбесконечномалойскоростьюпересечетгоризонтальА1вбесконечности,что
соответствуетпревращениюподиаграммеFe-Fe3C.Реальносуществуетинтервал
температуривременипереходаП-А.Окончаниепревращениясоответствует
исчезновениюперлитаиобразованиюаустенита.Образовавшийсяаустенит
неоднороденвобъемезерна.Впластинкахилизернахперлитногоцементита
содержаниеуглеродабольше,чемвферрите,из-заэтогоаустенитнеоднороден.
Ростзернааустенита.Мелкозернистыеикрупнозернистыестали.
Первыезернаобразуютсянаграницемеждуферритомицементитом-структурными
составляющимиперлита.В1см.кв.площадьграницамеждуферритомицементитом
составляетнескольком.кв.,из-зачегопревращениеначинаетсясобразования
множествазерениобразуетсябольшоечисломалыхзеренаустенита.Размерэтих
зеренхарактеризуеттакназываемуювеличинуначальногозернааустенита.
Дальнейшийнагрев(иливыдержка)поокончаниипревращениявызываетрост
аустенитныхзерен.Ростзерна-самопроизвольныйпроцесс.Различаютдватипа
сталей:наследственномелкозернистуюинаследственнокрупнозернистую;первая
характеризуетсямалойскоростьюкростузерна,втораяповышеннойсклонностью.
Рис.36.Схемаизмененияразмеразернаперлитавзависимостиотнагревав
аустенитнойобласти
ПереходчерезкритическуюточкуА1сопровождаетсярезкимуменьшениемзерна.При
дальнейшемнагревезерноизмелкозернистойсталинерастетдо950-1000С,после
чегоустраняютсяфакторы,препятствующиеросту,изерноначинаетбыстрорасти.У
крупнозернистойсталиростначинаетсяпослепереходачерезкритическуюточку.
Размерыперлитныхзерентембольше,чемкрупнеезернааустенита.Последующие
охлаждениенеизмельчаетразмерзерен.
Различаюттритипазернастали:начальноезерно,размерзернааустенитав
моментокончанияперлито-аустенитногопревращения;наследственноезерно
(природное)зерно-склонностьаустенитныхзеренкросту;действительное
зерно-размерзернааустенитавданныхконкретныхусловиях.
Стальраскисленнаятолькоферромарганцем(кипящаясталь)илиферромарганцеми
ферросилициемнаследственнокрупнозернистаясталь,асталь,дополнительно
раскисленнаяалюминием,-мелкозернистая.Природумелкозернистостиобъясняет
теориябарьеров.Алюминий,введенныйвжидкуюстальнезадолгодоееразливкипо
изложницах,образуетсраствореннымивжидкойсталиазотомикислородомчастицы
нитридовиоксидов(AlN,Al2O3).Этисоединениярастворяютсявжидкомметалле,а

38
послекристаллизациивыделяютсяввидемельчайшихчастицнаповерхностизерен,
препятствуюихростузасчетдвиженияграниц.
Понятияопревращенияхвпереохлажденномаустените(перлитное,
бейнитное,мартенситное).Метастабильныеструктуры.
Распадаустенитаприохлаждениисталисопровождаетсядвумяпроцессами:снижение
температуры(увеличениепереохлаждения),соднойстороны,увеличиваетразность
свободныхэнергийаустенитаиперлита,чтоускоряетпревращение,асдругой
стороны,уменьшаетскоростьдиффузииуглеродаD,аэтозамедляетпревращение.
Привысокойскоростиохлаждениястановитсявозможнымбездиффузионное
превращениеаустенитавферритоподобнуюструктуруссодержаниемуглерода
наследуемымизаустенита.Такоепревращениеполучилоназваниемартенсита.
Протекаетвметаллическихсплавахсполиморфнымипревращениями.Нарис.37.
показанакристаллическаяячейкамартенсита.Мартенситэтопересыщенныйтвердый
растворуглеродавα-железе.Решеткамартенситатетрагональная.Увеличение
содержанияуглеродаувеличиваеттетрагональность,степеньискажениярешеткии
твердостьмартенсита.Последнийимеетпластинчатоестроение,однакопри
исследованиишлифовонивоспринимаютсякакиглыиз-завысокойдисперсности
строения.Мартенситноепревращениеноситсдвиговойхарактер.
Рис.37.
Рис.38.
Рис.39.
Рис.37.Ячейкамартенсита.Рис.38.Кинетическаякриваяпревращенияперлитав
аустенит.Рис.39.Кинетическиекривыепревращенияаустенитавперлитпри
различныхтемпературах.
Процессобразованияперлита-этопроцессзарожденияцентровперлитаироста
перлитныхкристаллов.Дляэтогонужнынадлежащиефизическиеусловия:Процесс
происходитвовременииможетбытьизображенввидетакназываемойкинетической
кривойпревращения,показывающейколичествообразовавшегосяперлитазавремя
превращения.Рис.38.Точкаанакривойпоказываетмомент,когдаобнаруживается
началопревращения,аточкаb-завершениепревращения.Наположениекривых
оказываетвлияниестепенипереохлаждения.Рис.39.Привысокойтемпературеt1
(малаястепень
переохлаждения)превращениеразвиваетсямедленнои
продолжительностьинкубационногопериодаивремяпревращениясокращаются.
Максимумскоростипревращениясоответствуеттемпературеt4,дальнейшиеснижение
температурыприведетужекуменьшениюскоростипревращения.Кинетические
кривыепревращенияаустенитавперлитполученныедляразныхтемператур
используютсядляпостроениядиаграммизотермическогопревращенияаустенита.

39
Диаграммыизотермическогопревращенияпереохлажденного
аустенита.
ЕслиточкиaиbкинетическихкривыхпревращенияА-Прасположитьповертикалипо
мереснижениятемпературы,тополучимдиаграммуизотермическогопревращения
переохлажденногоаустенита.Рис.40.
Рис.40.Диаграммаизотермическогопревращенияаустенита.
Нарис.40.показановремяпревращенияаустенитавперлитвзависимостиотстепени
переохлаждения,т.е.превращениепереохлажденногоаустенитаприпостоянной
температуре.Поэтомутакиедиаграммыназываютдиаграммамиизотермического
превращенияаустенита.КривыенадиаграммеимеютвидбуквыС,поэтому
называютсяС-образными.Привысокихтемпературах(
прималойстепени
переохлаждения)получаетсягрубаясмесьферритаицементита-перлит.При
увеличениистепенипереохлаждениядисперсностьструктурвозрастает.Болеетонкого
строенияперлитполучилназваниесорбит.Притемпературе,приблизительно
совпадающейсС-образнойкривой,дисперсностьпродуктоввозрастаетнастолько,что
ихнельзядифференцироватьподмикроскопом,нопластинчатоестроениевыявляется
электроннымисредствами.Такаяструктураназываетсятроостит.Образующаяся
нижеизгибаС-образнойкривойидоначаламартенситногопревращенияигольчатая
структураполучиланазваниебейнита.ПоимениученогоЭ.Бейна.Особенностью
бейнитногопревращенияявляетсято,чтоонопротекаетвинтервалетемператур,
когдавозможнатолькодиффузияуглерода.(ОтТ=200доТ=450С).Бейнитное
превращениеещеназываютпромежуточным.Вначалеаустенитобедняетсяиз-за
выделениякарбидауглеродаипридостижениинеобходимогообедненияпроисходит
мартенситнаяреакция.Чемвышетемператураизотермическойвыдержки,тембольше
обеднениеаустенита,темменееуглеродистыйаустенитпереходитвмартенсит,теряя
типичныечертымартенсита.Минимальнаяскоростьохлаждения,необходимая,для
переохлажденияаустенитадомартенситногопревращения,называетсякритической
скоростьюзакалки.ТочкаMn-начало,аточкаMk-конецмартенситного
превращения.НаположениеMnиMkвлияетсодержаниеуглерода.Рис.41.Для
сталей,укоторыхтемпературамартенситногопревращения,ниже0С,проводят
обработкухолодом.
Легирующиеэлементыповышаютустойчивостькарбидовпринагревании,
замедляютдиффузиюуглерода,самионидиффундируюттакжемедленно.Всеэто
приводиткзадержкеобразованияаустенитапринагревестали.Этообъясняет

40
повышениетемпературызакалкииотжигаулегированныхсталей.Всеэлементы,
кромеMn,уменьшаютсклонностькростузернааустенита.Приохлаждении
легирующиеэлементывбольшинствеслучаевуменьшаютскоростьраспада
аустенита,С-образныедиаграммысмещаютсявправоимогутизменятьсвою
форму.
Видытермическойобработкиматериалов.
Обычнаятермическаяобработкасостоитизтрехосновныхэтапов:нагрева,
изотермическойвыдержкииохлаждения.Взависимостиоттемпературынагреваи
скоростиохлажденияразличаютследующиеосновныевидытермическойобработки:
отжиг,закалку,отпускистарение.Рис.42.Фазовыйсоставформируетсяпри
охлаждениисзаданнойскоростью.Нагревтакжепроизводитсясзаданной
температурой.(Смотрилаб.раб.№4,5)
Рис.41.
Рис.42.
Рис.41.Влияниесодержанияуглероданамартенситныеточкистали.
Рис.42.Видытермическойобработкистали.

41
Лекция№9
Технологиятермическойобработкистали.Полныйинормализационныйотжиг.Отжиг
назернистыйперлит.Закалкастали.Способыобъемнойзакалки.Влияние
термообработкинамеханическиесвойства.
Технологиятермическойобработкистали.
Технологиятермическойобработкисталиосновананаиспользованиипроцессов
фазовыхпревращенийвсталипринагревеиохлаждении,взаимодействиисосредой
обработкидляизменениякомплексафизико-механическихсвойств
машиностроительнойдетали,сцельюулучшенияихпосечениюивповерхности
изделия.Технологиятермическойобработкистали(сокращенноТО)опираетсяна
параметры:времяилискоростьнагрева,выдержки,охлаждения,температура
процесса,цикличностьисредапроведенияТО.
СовременнаТОприменяетспециальноеоборудование,осуществляющиеуказанные
процессы:печиразличнойконструкции(электропечи,газопламенные,элеваторные,
конвейерные,шахтныеит.п.),закалочныебаки,соляныеванныимногоедругое.К
видамТОпринадлежат:закалка-объемная,поверхностная,местная,отжиг-
нормализационный,гомогенизирующий,рекристаллизационыйид.р.,улучшение,
химико-термическаяобработка,закалкаТВЧ,лазернымнагревом,
электроимпульснымполем,термообработкавпроцессепластического
деформирования,обработкахолодомит.п..
Полныйинормализационныйотжиг.Отжигназернистыйперлит.
Отжиг-термическаяобработка,прикоторойстальнагреваетсявышеАс3(или
тольковышеАс1-неполныйотжиг)споследующиммедленнымохлаждением.Нагрев
вышеАс3обеспечиваетполнуюперекристаллизациюстали.Охлаждениепроисходит
вместеспечью.Медленноеохлаждениеприотжигеприводиткраспадуаустенитаи
создаетперлитныеструктуры.Нормализация-разновидностьотжига,производимого
наспокойномвоздухе,дающемускоренноеохлаждениеотверхнегорайона
температур.Нормализацияболееэкономичнаяоперация.Основныезадачиотжига:
перекристаллизациясталииустранениевнутреннихнапряженийилиисправление
структуры.Обеэтизадачивыполняютсяобычнымполнымотжигом.Дляустранения
дендритнойнеоднородностилитойсталиприменяютгомогенизирующийили
диффузионныйотжиг.Врезультатевысокогонагреваидлительнойвыдержки
наблюдаетсясильныйростзерна(крупнозернистаяструктура),дляисправления
которойприменяютпоследующийобычныйотжиг.Неполныйотжигприводитк
перекристаллизациитолькоперлитнойсоставляющейструктуры.Неполныйотжиг
заэвтектоиднойсталитакженазываютсфероидизацией.Дляполучениязернистого
перлитанагревдолженненамногопревосходитьАс1,впротивномслучаеполучается
пластинчатыйперлит.Зернистаяструктураобеспечиваетлучшуюобрабатываемость
режущиминструментомималуюсклонностькперегревупризакалкестали.Для
сокращениявремениотжигаиповышениякачестваотожженнойсталиприменяют
изотермическийотжиг.ЗдесьнагретаявышеАс1стальохлаждаетсябыстродо
температурына100град.СнижеАс1иприэтойтемпературевыдерживаетсядля
протеканияфазовогопревращенияА-П,затемстальпроизвольноохлаждают.

42
Закалкастали.
Закалка-термическаяоперация,состоящаявнагревезакаленногосплававыше
температурыпревращенияспоследующимдостаточнобыстрымохлаждениемдля
полученияструктурнонеустойчивогосостояниясплава.Длясталейразличаютзакалку
до-изаэвтектоидныхсталей.Вструктурезакаленнойсталипреобладаетмартенсит.
Мартенситимеетвысокуютвердостьинизкуювязкость,какконструкционныйматериал
неупотребляется.Длядоэвтектоидныхсталейтемпературазакалкидолжнабытьна
30-50град.вышеАс3,адлязаэвтектоидных-на30-50град.выше.Призакалке
доэвтектоиднойсталистемпературывышеАс1,нонижеАс3вструктуренарядус
мартенситомсохраняетсячастьферрита,которыйснижаеттвердостьвзакаленном
состояниииухудшаетмеханическиесвойствапослеотпуска.Такаязакалканазывается
неполной.Длязаэвтектоидныхсталейоптимальнаятемпературазакалкилежитв
интервалемеждуАс1иАс3итеоретическиявляетсянеполной.Здесьнарядус
мартенситомзакалкисохраняетсячастьоставшегосяцементита,наличиекоторого
полезно.НагреввышеАс3приводитквреднымперегревуиобезуглероживаниюстали.
Закалкабываетобъемной(подзакалкунагреваютнасквозьвсеизделие)и
поверхностной(осуществляютместный,чащеповерхностныйнагрев).
Способыобъемнойзакалки.
Взависимостиотсоставастали,формыиразмеровдеталиитребуемыхвтермически
обработанномсостояниисвойстввыбираютоптимальныйспособзакалки,наиболее
простоосуществимыйиодновременнообеспечивающийнужныесвойства.
Рис.43.Кривыеохлаждениядляразличныхспособовзакалки,нанесенныена
диаграммуизотермическогораспадааустенита.
1.Закалкаводномохладителе.(рис.43.1)-здесьнагретуюдетальпогружаютв
жидкость,гдеонаостаетсядополногоохлаждения.Способприменяетсядля
геометрическипростыхдеталейизуглеродистыхилегированныхсталей.Охладитель
-водаимасло.
2.Прерывистаязакалка,илизакалкавдвухсредах.(рис.43.2)Детальсначала
охлаждаетсявбыстроохлаждающейсреде,азатемвмедленноохлаждающей.Водаи
масло.Вмартенситноминтервалестальохлаждаетсямедленно,чтоспособствует
уменьшениювнутреннихнапряжений.
3.Струйнаязакалка-заключаетсявобрызгиваниидеталиинтенсивнойструейводы.
Обычноприменяют,когданужнозакалитьчастьдетали.Приэтомспособене
образуетсяпароваярубашка,чтодаетболееглубокуюпрокаливаемость.
4.Закалкассамоотпуском.Вобычныхзакалкеиотпускесвойствапосечению
деталиодинаковы.Длясозданиятребуемогораспределениятвердостизакаливают

43
лишьчастьдетали,ааккумулированноетеплонеохлажденнойчастипроводитотпуск.
Такойспособприменяют,например,дляслесарногоинструментаЗубила,молотки,
наковальниит.п.).Распределениетвердостидостигают,регулируязакалкупоцветам
побежалости.
5.Ступенчатаязакалка.(Рис.43.3)Детальохлаждаютвсреде,имеющей
температурувышемартенситнойточки.Делаютвыдержкудлявыравнивания
температурыпосечению.Затемпроводятмедленноеохлаждение,обеспечивающие
мартенситноепревращение.Разбивканадвеступениуменьшаетнапряженияпервого
рода,снижаетзакалочнуюдеформацию.Применяетсядлякрупныхизделий.
6.Изотермическаязакалка.(Рис.43.4)Здесьстальвыдерживаетсяпритемпературе
иливсреде,обеспечивающихполноеизотермическоепревращениеаустенита.
Обычно200-250С.Образующаясяструктура-бейнит.
Влияниетермообработкинамеханическиесвойства.
Врезультатетермическойобработкисущественноизменяютсясвойствастали.
Наибольшеезначениеимеютмеханическиесвойства.Большинствостальныхизделий
машиностроенияподвергаетсянормализацииилизакалкесвысокимисредним
отпуском(tотп>400C).Вотожженном,нормализованномилиотпущенномсостоянии
стальсостоитизпластинчатогоферритаивключенийкарбидов.Ферритобладает
низкойпрочностьюивысокойпластичностью,цементитпринулевыхзначениях
пластичностиимееттвердостьоколо800НВ.Прималомчислетвердыхвключений
пластическаядеформацияразвиваетсябеспрепятственно.ЕслипослеТОчастицы
цементитаизмельчаются,тогдаониначинаютпрепятствоватьдвижениюдислокацийи
стальупрочняется.Натвердостьмартенситаоказываетвлияниедисперсностьего
игольчатойструктурыисодержаниеуглерода.Рис.44.
Рис.44.Твердостьсталивзависимостиотсодержанияуглеродаитемпературы
закалки:1-нагреввышеАс3,2-нагревтольковышеАс1,3-микротвердость
мартенсита.
Дляполучениявысокогокомплексамеханическихсвойствследуетстремитсяктому,
чтобыпослезакалкиполучаласьмелкоигольчатаямартенситнаяструктура,что
достигаетсялишьприисходноймелкозернистойструктуре.Насвойствастали
оказываетбольшевлияниесодержаниеуглерода(смотривыше)итемпература
отпуска.Сростомпоследнейуменьшаетсятвердостьипрочность,новозрастают
показателипластичностииударнойвязкости.

44
Лекция№10
Прокаливаемостьстали.Видыиназначениеотпуска.Превращенияпринагреве
закаленнойстали.
Прокаливаемостьстали.
Подзакаливаемостьюпонимаютмаксимальноезначениетвердости,которуюможет
приобрестиданнаясталь.Подпрокаливаемостьюподразумеваютглубину
проникновениязакаленнойзоны.Несквознаяпрокаливаемостьсвязанастем,что
детальбыстрееохлаждаетсясповерхности,чемссердцевины.Рис.45.
Рис.45.а
Рис.45.б
Рис.45.Схемы,показывающиеразличнуюскоростьохлажденияпосечениюивсвязис
этимнесквознуюпрокаливаемость.
РаспределениескоростиохлажденияпоказанонаРис.45а.Суменьшением
критическойскоростизакалкиувеличиваетсяиглубиназакаленногослоя,иеслиVk
будетменьшескоростиохлаждениявцентре,тосечениезакалитсянасквозь.Если
сечениевеликоискоростьнаповерхностименьшеVk,тостальнезакалитсядажена
поверхности.Дляпрактическойоценкипрокаливаемостииспользуютвеличину-
критическийдиаметр,т.е.максимальныйдиаметр(размер)образца,который
прокаливаетсянасквозьвданномохладителе.Чемлучшесвойстваохладителятем
большеDкр.(Смотрилаб.раб.№8).Чтобынеставитьпрокаливаемостьвзависимости
отспособаохлажденияприменяютидеальныйкритическийдиаметр.Дляего
определенияиспользуютметодторцевойзакалки.Цилиндрическийстальной
образец,нагретыйподзакалку,охлаждаетсясторцаструейводы.

45
Рис.46.Криваяпрокаливаемостистали.
Измеривтвердостьподлине,строятзависимостьтвердостиотрасстоянияот
закаленноготорца.ВГОСТахприведеныкривыепрокаливаемостинабазеиз100и
болееплавокодноймаркистали,указываютсяверхнийинижнийпределы.Рис.46.За
границумеждузакаленнойинезакаленнойзонамипонимаютполумартенситныйслой
(50%мартенсита+.50%троостита).Прокаливаемостьучитываютпривыборемарки
стали(Смотрилаб.раб.№11).
Превращенияпринагревезакаленнойстали.
Отпускзаключаетсявнагревезакаленнойстали,структуракоторойсостоитиз
тетрагональногомартенситаиостаточногоаустенита,дотемпературнижеАс1,
выдержкеприэтойтемпературеипоследующемохлаждении.Структуразакаленной
сталиявляетсянестабильной,принагреве(отпуске)протекаютпроцессы,приводящие
кравновесномусостоянию.Онодостигаетсядиффузиейуглеродаизмартенситаи
аустенита.Рис.47.Принагревезакаленнойсталипротекаютстадии:I-выделение
углеродаизмартенсита,II-распадостаточногоаустенита,III-полныйраспад
мартенсита,VI-превращенияиизмененияструктурыпродуктовраспада.(перлита,
цементитаиферрита).
Рис.47.Кривыепроцессов,совершающихсяприотпуске.
Видыиназначениеотпуска.
Отпуск-этотермическаяобработказакаленнойнамартенситстали,
заключающаясяводно-илимногократномнагревеневышеАс1,выдержкеи
охлаждении,прикоторомпроисходитраспадирекристаллизациямартенсита.
Различаютнизкийотпуск(Он),среднийотпуск(Ос),высокийотпуск(Ов).После
низкогоотпускапри120-250Собразуетсяотпущенныймартенсит,отличающийся
большейтравимостью.Онприменяетсядлядеталейсмаксимальнойтвердостью,
чащеприменяетсядляинструмента.Послесреднегоотпускапри350-450С
образуетсясильнотравящаяся"
игольчатая"структуратрооститаотпуска.Ос
назначаютдлядостижениямаксимальногопределаупругости(пружины).Высокий
отпускпри450-650Свызываетпоявлениесорбитаотпуска,имеющеготочечное
строение.Овсоздаетнаибольшуюударнуювязкость,применяетсядлядеталей
машин,испытывающихударныенагрузки.

46
Недостаткомрядалегированныхконструкционныхулучшаемыхсталейявляется
отпускнаяхрупкость.Рис.47.1.
Рис.47.1.Влияниеотпусканаударнуювязкостьлегированнойстали(схема):1-
быстроеохлаждение;2-медленноеохлаждение.
Примедленномохлаждениикриваяимеетдваминимума-дляотпускапри300Сипри
550С.Этоявлениеназываютотпускнойхрупкостью.Отпускнаяхрупкостьврайоне300
проявляетсяувсехсталейнезависимоотсоставаискоростиохлажденияприотпуске.
Падениеударнойвязкостисвязаносраспадомостаточногоаустенита.Отпускная
хрупкостьврайоне550Спроявляетсяврезультатемедленногоохлаждения,при
быстром-вязкостьнеуменьшается.

47
Лекция№11
Поверхностнаязакалкастали.Лазернаятермическаяобработка.Цементациястали.
Строениецементованногослоя.Термическаяобработкасталипослецементации.
Нитроцементациястали.Азотирование.Покрытияметаллов:напыленныеиосажденные.
Поверхностнаязакалкастали.
Дляполучениябольшойтвердостивповерхностномслоедеталиссохранениемвязкой
сердцевины,чтообеспечиваетизносоустойчивостьиодновременновысокуюдинамическую
прочность,применяютповерхностнуюзакалкуилихимико-термическуюобработку.
Поверхностнаязакалкавыгодноотличаетсяотхимико-термическойобработкизначительно
меньшейпродолжительностьюпроцесса.Всеметодыповерхностногоупрочнениязаключаются
внагреветолькоповерхностногослояспоследующейзакалкойдетали.Методынагревамогут
бытьразличными:
-врасплавленныхметаллахилисолях
-пламенемацетеленокислороднойгорелки(такназываемаяпламеннаязакалка),
-вэлектролитах,
-лучемлазера,электротоком,индуцируемымвповерхностныхслояхдетали;вэтомслучаеток
высокойчастотыиндуцируетсявповерхностныхслояхзакаливаемойдетали(такназываемая
индукционная,иливысокочастотнаязакалка).
Последнийспособширокоиспользуютвмашиностроении.Сущностьлюбогоспособа
поверхностнойзакалкисостоитвтом,чтоповерхностныеслоидеталибыстронагреваются
вышекритическихточекисоздаетсярезкийградиенттемпературпосечению.Рис.48.
Рис.48.Распределениетемпературпоглубинепри
поверхностнойзакалке.
Еслинагревпрерватьипровестибыстроеохлаждение,тослойметалланагретыйвышеАС3(1),
получитполнуюзакалку:слой,нагретыйвышеАС1,нонижеАС3(2)-неполнуюзакалку,а
сердцевина(3)иливовсененагреется,илинагреетсятольконижеАС1закалкинеполучит.
НагревповерхностныхслоевзначительновышеАс3-явлениеобычноепривсехспособах
закалки,однакоэтонеобязательноприведеткперегревуиухудшениюструктуры.Чембольше
скоростьнагрева,темприболеевысокойтемпературепроисходятпревращенияииз-за
кратковременностинагрева,вменьшейстепенипроизойдетогрублениемикроструктуры(рост
зернааустенита).Впрактикетермическойобработкинаибольшеераспространениеполучила
высокочастотнаяобработкаповерхности.Здесьобычностальнаядетальпомещаетсявнутри
индуктора,присоединенногокмощномувысокочастотномугенератору.Колебания
электромагнитногополявповерхностидетали-проводникасоздаетвихревыеэлектротоки,
которымиинагревается,аповерхность.

48
_________
δ=5300√ρ/(µ∗f)
Глубинаповерхностнойобработкизависитотмощностииндуцируемогополя,удельного
электросопротивлениядетали,магнитнойпроницаемостиичастотыэлектроколебаний.
Лазернаятермическаяобработка.
(Самостоятельнаяпроработкалитературы)
Цементациястали.Строениецементованногослоя.Термическая
обработкасталипослецементации.
Химико-термическаяобработка-технологическаяоперация,состоящаявтом,чтодеталь
помещаютвсредубогатуюэлементом,которыйдиффундируетвметалл.Вслучаегазового
окружения(наиболеечастыйслучай)прихимико-термическойобработкепроисходяттри
элементарныхпроцесса:диссоциация,абсорбцияидиффузия.Диффузияпроисходит
движениемнасыщающегоэлементаповакансиямиинымдефектамкристаллов.
Прицементациипроисходитповерхностноенасыщениесталиуглеродом,врезультатечего
получаетсявысокоуглеродистыйповерхностныйслой.Таккакдляцементацииберут
низкоуглеродистуюсталь,тосердцевинаостаетсямягкойивязкой,несмотрянато,чтопосле
цементациистальподвергаетсязакалке.Притвердойцементациидетализапаковываютвящик,
наполненыйкарбюризатором-науглероживающимвеществом.Пригазовойцементации
герметическизакрытаякамерапечисразмещаемымивнейдеталяминаполнена
цементирующимгазом,илигазпроходитчерезнее.Карбюризаторамиявляетсявысокосортный
древесныйуголь,газом-СО.
ЦементациюпроводятзначительновышеточкиАС1(таккака-железонерастворяетуглерод),
при900-930С,илидажепри950-970Сивыше.Чемвышетемпература-тембольше
содержаниеуглеродавповерхностномслое,однакоононепревышает1.2%.Времяцементации
составляетдесяткичасов,атолщинадиффузионногослояобычнонепревышает2мм.
Цементациявосновномприменяетсявмассовомпроизводстведеталеймашин.Еепроводятв
толкательныхэлектропечахнепрерывногодействия.Структураповерхностногослоясостоит
изнесколькихзон.Поверхностнаязона,вкоторойуглеродасодержаниеуглеродабольше0.8-
0.9%,имеетструктуруперлит+цементит;этотакназываемаязаэвтектоиднаязона;затем
следуетзонассодержаниемуглеродаоколо0.8%-этоэвтектоиднаязонаи,наконец,
доэвтектоиднаязона,содержащаяуглеродаменее0.7%,плавнопереходящаявструктуру
сердцевины.Окончательноформируетсвойствацементованнойдеталипоследующаязакалка,
прикоторойнаповерхностиполучаетсявысокоуглеродистыймартенсит,авсердцевине
сохраняетсянизкаятвердостьивысокаявязкость.Рис.49.
Рис.49.Режимытермическойобработкицементированныхдеталей.

49
Обычнозакалкупроводятсцементационногонагрева.Еслитребуютсяповышенные
механическиесвойства,охлаждениепроизводятмедленноеизатемдаетсязакалкасповторного
нагреваилидажедвойнаязакалка.Впоследнемслучаетребуетсяшлифовка"подразмер"
деталииз-заизменениягеометриидеталей,вызванноймногочисленнымифазовыми
превращениямипринагревах.Всердцевинецементированнойдеталиизлегированной
глубокопрокаливающейсясталиобразуетсямартенсит,которыйиз-занизкогосодержанияСне
обладаетхрупкостью.
Азотирование.Нитроцементациястали.
Азотированиемназываютпроцесснасыщениясталиазотом.Посравнениюсцементацией,
азотированныйслойсамбезкакой-либоТОприобретаетвысокуютвердость,аразмерыизделий
послеазотированияизменяютсямало,чтонетребуетшлифовки.Азотирование-
окончательнаяоперациядлядеталей,прошедшихТОишлифовку.Азотированиепроводятпри
500-600Свсредедиссоциированногоаммиака:
NH3=3H+N
Образующийсяатомарныйазотдиффундируетвметалл.Сжелезомсталииеелегирующими
элементамиазотобразуетнитриды,резкоповышающиетвердостьповерхности.Входе
процессапроисходитпоследовательноеобразованиенасыщенныхазотомслоев.Рис.50.
Рис.50.Строениеазотированногослояжелезапослемедленногоохлажденияот650С.
Распределениеазотаимеетскачкообразныйхарактервследствиеотсутствияпереходных
двухфазныхслоев.
Азотированиеприменяютдляповышениятвердости,износоустойчивости,усталостной
прочности,сопротивлениякоррозии.Длямассовогопроизводстваавтодеталей,подвергаемых
цементации,разработаныспециальныемаркистали,легированныеалюминием:38ХМЮА,
38ХЮА.А-дляазотирования.
Нитроцементация-одновременноенасыщениеповерхностисталиазотомиуглеродомв
газообразнойсреде.Еслипроцессосуществляютврасплавахсолей,содержащихцианистую
группу-CN,тогдаегоназываютцианированием.Нитроцементацияпозволяетнесколько
повыситьикоррозионнуюстойкость,создатьнаибольшуютвердостьповерхностии
совместитьоперациюспоследующейзакалкой.
Покрытияметаллов:напыленныеиосажденные.
Вслучае,когдаповерхностьизделийдолжнаобладатьспецифическимисвойствами:
коррозийнойстойкостью,жаропрочностью,антифрикционнымиилифрикционными
свойствамиприменяюттехнологиинапыленияилиосажденияпокрытий.Покрытияна
поверхностиобразуютслойновогоматериала,толщинойдо1мм.Этотслойтакжепозволяет
восстановитьгеометриюипридатьлучшиесвойстваповерхностидетали.Известна
технологиявосстановленияколенчатыхваловиваловмеханизмагазораспределения
двигателейвнутреннегосгорания.Напрактикеширокоераспространениеполучилиметоды
газотермическогоивакуумно-конденсационногонапыления.Впервомслучаеструейгорючих

50
газовраспыляютпорошокнапредварительнообработаннуюповерхность.Такимобразом
получаютпокрытияизпорошковтугоплавкихметалловиихсплавов,коррозионно-стойких
сталей.Окончательнойобработкойповерхностиизделияявляетсяшлифовкаидоводочные
операции.Принапылениивозможнополучениятонких(несколькомкм)слоевсо
специфическимисвойствами.Процесспроводятнаспециальныхустановках.Например,
установкаБУЛАТпозволяетнаноситьнарежущийинструмент(сверла,метчики,
резьцы)слойизнитридатитана,повышающегоизносостойкостьрежущихкромокв1.5-2
раза.Физическаясущностьпроцессанапылениясостоитвсозданиивакуумавкамерес
обрабатываемойдеталью,котораяявляетсяанодом,ираспыленииматериалакатода-титана
методомтермическогонагреваилиэлектроннымпучком.Ионыметаллаосаждаясьна
поверхностидеталимогутобразоватьпокрытие.Есливрабочуюсредувводитьгазреагент
(азот),тобудетобразованопокрытиеизнитридатитана(результатвзаимодействияионов
титанаиатомовазота).Толщинатакихпокрытийнепревышает1-2мкм.Вакуумно-
конденсационныетехнологиинапыленияпозволяюсоздаватьразнообразныепокрытияна
металлах,стеклах,керамикеипластмассах.

51
Лекция№12
Пластическаядеформация,стадиидеформации.Дислокационныеструктуры
деформированныхтел.Изменениемеханизмадеформациивзависимостиоттемпературы
инапряжения,картыдеформации(поЭшби).Ползучесть.Зависимостьпрочностии
пластичностиоттемпературы.Влияниенагреванаструктуруисвойства
деформированныхметаллическихтел:отдых,полигонизация,рекристаллизация.ВТМО,
НТМО.Сверхпластичность.Влияниеэлектромагнитногополянаструктуруисвойства
металлическихматериалов.
Пластическаядеформация,стадиидеформации.Дислокационные
структурыдеформированныхтел.
Поддействиемвнешнихсилметаллизменяетсвоюформу.Этоизменениесостоитиздвух
частей:упругойилиобратимой,исчезающейпослеснятиянагрузки,инеобратимой,
пластической,остающейсяпослеснятиянагрузки.Приупругойдеформациирасстояниемежду
атомамиизменяется:увеличиваетсяилиуменьшается.Послеснятиянагрузкиатомы
возвращаютсянапрежниеместа.Припластическойдеформациичастикристалла
перемещаютсядруготносительнодруганеобратимо,путемсдвиговилискольженийи
двойникования.Скольжениеилисдвиги-параллельноесмещениетонкихслоевметаллаи
одновременноповоротих.
Двойникование-смещениеатомов,расположенныхвплоскостях,параллельныхплоскости
двойникования,нарасстояниепропорциональноерасстояниюэтихплоскостейотплоскости
двойникования.Рис.51.
Рис.51.Схемысдвигаидвойникования.
Рис.52.Изменениемеханическихсвойствмедииалюминиявзависимостиотстепени
пластическойдеформации.

52
Холоднаяпластическаядеформацияупрочняетметалл.Этоявлениеназываютнаклепомили
нагартовкой.Приэтомизменяетсяструктураисвойства.Зернадеформируютсяисмещаются
друготносительнодруга.Объемзеренразбиваетсяповерхностямискольженийи
двойникованиянаотдельныечасти.Наполированнойповерхностиметаллаинамикрошлифах
виднычастолиниисдвигов.Зернотакимобразомизмельчается.Появляетсятекстура:
ориентировказеренпонаправлениюдействующейсилы,искажениеинапряжение
кристаллическихрешеток.Рис.52.Упрочнениеметалловврезультатедеформациизависит
оттипакристаллическойструктуры.Дляметалловскубическойрешеткойроступрочненияв
первомприближенииноситпараболическийхарактер,дляметалловсгексагональнойрешеткой
упрочнениерастетполинейномузакону.Дислокационноеупрочнениекристалловразделяют
натристадии.Рис.53.
Рис.53.Кривыеупрочнениякристаллов(стадии1-3)сГЦКрешеткойпритемпературеt1(1)и
t2(2)приt2>t1.
-перваяхарактеризуетсяпочтилинейнойзависимостьюнапряженийотвеличиныдеформации
прималойстепенидеформационногоупрочненияиз-замалойплотностинакапливаемых
дислокаций.
-втораястадияупрочненияхарактеризуетсямножественнымскольжениемдислокаций,их
пересечениемсобразованиемпрепятствийдлядальнейшегодвижения(образуетсяячеистая
субструктура).
-третьюстадиюхарактеризуетуменьшениедеформационногоупрочнения.Роствеличины
деформациисвязанспоперечнымскольжениемисувеличениемсдвигапокаждойсистеме
скольжения.Происходиттакназываемыйдинамическийвозврат.
Изменениемеханизмадеформациивзависимостиоттемпературыи
напряжения,картыдеформации(поЭшби).
Ползучесть.Зависимостьпрочностиипластичностиоттемпературы.
Влияниенагреванаструктуруисвойствадеформированных
металлическихтел:отдых,полигонизация,рекристаллизация.

53
Рис.54.Дислокационнаяструктура(а)-последеформациии(б)-посленагрева,отвечающая
полигонизационномутипу.
Еслидеформацияпроисходитпритемпературетакназываемойтеплойдеформации(0.3-0.6)
Тпл,тогдаодновременносразвитиемскольженияиилидвойникованияпроисходит
перераспределениедислокацийвследствиеразвитиядиффузионныхпроцессов(самодиффузия),
приводящихкявлениюпереползаниякраевыхкомпонентдислокаций.Рис.54.Притеплой
деформациисоздаетсяболеестабильнаяструктура,хотяэффектупрочненияниже.
Структурныеизменения,происходящиепригорячейдеформацииметаллов,отвечающие
температуре>0.6Тпл,проявляютсявхарактерекривыхнапряжение-деформация.Рис.55.
Рис.55.Основныевидыкривыхнапряжение-деформацияпривысокихтемпературах,а-с
"горбом",б-сплато.
Наначальнойстадиидеформациинаблюдаетсязаметноеупрочнениеврезультатеразвития
процессовлегкогоимножественногоскольжения,ведущихкроступлотностидислокаций,
распределениекоторыхотличаетсянеоднородностью(горячийнаклеп).Приувеличении
степенидеформацииэтоупрочнениерастетдонекоторогозначения,азатемлибоостается
постоянным,либозаметнопадает,нозатемвновьстабилизируется.
Сувеличениемтемпературыхарактеристикипрочностиметаллическихматериаловпадают,а
пластичностиувеличиваются.
Еслинагревпроисходитпоследеформации,топринагревеужепринизкихтемпературахбудет
происходитьвозвратилиотдых-снятиевнутреннихнапряжений.Придальнейшемповышении
температурыатомы,обладающиемаксимальнымзапасомэнергии,будутдвигатьсянастолько
интенсивно,чтопоявитсявозможностьзарожденияиростановыхкристаллов,
термодинамическиболееустойчивых.Этотпроцессноситназваниерекристаллизации.
Металл
Трек,СТрек/Тпл
Cu
200
0.35
Fe
450
0.35
Ni
250-350
0.33
Al
100
0.40
Mn
150
0.45
Прирекристаллизациистароезерноневосстанавливается,азаменяетсясовершенноновым.
Абсолютнаятемператураначалавсехявлений,связанныхстепловымперемещениематомовв
кристаллическойрешетке,составляетдлявсехметалловоднуопределеннуюдолюабсолютной
температурыплавления.Дляпрактикинеобходимознать,скакойтемпературыначинается
рекристаллизацияпривыдержке0.1-1часа.Приэтомусловииоказывается,чтодлячистых
металлов

54
Трек=0.4Тпл.
Самыеранниежепроявлениярекристаллизации,обнаруженныерентгеновскимметодом,
происходятприТрек=0.25Тплавл.ВсплавахотношениеТрек/Тплбольше,чемдлячистых
металловинеобладаюттакимпостоянством.Температураначаларекристаллизациизависитот
степенидеформации.
ВТМО,НТМО.
Термомеханическаяобработкаосновананасовмещениидвухспособовупрочнения-
пластическойдеформацииифазовыхизменений,заключаетсявнаклепеаустенитас
последующимегопревращением.ВидамиТМОявляются:высокотемпературная
термомеханическаяобработка(ВТМО),котораясостоитиздеформированияаустенитавыше
температурырекристаллизации(tр)обычновышекритическихточекибыстрогоохлаждения.
Рис.56.
Рис.56.КлассификационнаясхемаТМО.
-низкотемпературнаятермомеханическаяобработка(
НТМО),котораясостоитиз
деформированияаустенитанижеtр,т.е.нестабильногоаустенитапереохлажденногониже
критическихточекспоследующимохлаждениемифазовымпревращением.
Стальупрочняетсязасчетмартенситнойреакцииизасчетдефектовстроенияунаследованных
мартенситомотдеформированногоаустенита.
ПриНТМОпереохлажденныйдо500-600Саустенитдеформируется(до80-9-%)и
наклепывается.ПриНТМОповышениепрочностисопровождаетсяпонижениемпластичности.
ПриВТМОнаклепаустенитанесохраняетсявчистомвидедомартенситногопревращения,так
какВТМОосуществляетсявышетемпературыtр.Еслинемедленнонеохладитьстальпосле
деформации,тобудутпроисходитьрекристаллизационныепроцессы.
ОбычнопослеТМОосуществляютотпускназаданнуюпрочность(пластичность).Вотдельных
случаяхпоследеформациистальподвергаетсяизотермическомубейнитномураспаду
(ВТМизО).Имеетсяклассобработок,которыеосуществляютсявобратномпорядке-
превращение,азатемнаклеп(механико-термическаяобработкаМТО).МТОосуществляется
деформациейна3-5%мартенситаипоследующимнизкимотпуском,чтосоздаетповышение
прочностина10-20%.Вбольшинствеслучаевувеличениепрочностисопровождается
снижениемпластическихсвойств(исключение-упрочнениезасчетизмельчениезерна
аустенита).Табл.4.

55
Сверхпластичность.
Подсверхпластичностьюпонимаютспособностьметаллакзначительнойравномерной
деформациибездеформационногоупрочнения(наклепа).
Различаютнескольковидовсверхпластичности:
Влияниетермическойобработкинамеханическиесвойствастали.Табл.4.
Термическая
обработка
Прочность
Пластичность
Вязкость
Отжиг
Самаянизкая
Самаявысокая
Нормализация
Низкая
Высокая
Высокая
Улучшение
Средняя
Высокая
Самаявысокая
ВТМО
Высокая
Высокая
Самаявысокая
НТМО
Самаявысокая
Самаянизкая
Средняя
МТО
Самаявысокая
Самаянизкая
Самаянизкая
-мелкозереннаясверхпластичностьпроявляетсяприповышенныхтемпературах,ненижечем
0.4Тпл,приоченьмелкомзернеразмеромвдиаметре3-5мкмималойскорости
деформирования0.0001с-1(отсутствуетсдвиговаядеформация),
-субкритическаясверхпластичность.Имеетместопритемпературахвблизиилинижефазовых
превращенийприопределеннойисходнойструктуре.Передфазовымпревращениемили
плавлениемпроисходитзначительноеизменениесвойствбезизмененияструктуры.Например,
Еснижаетсявдва-трираза.
-мартенситнаясверхпластичность,присдвиговомбездиффузионномпревращении
наблюдаетсяповышеннаяпластичность,
-рекристаллизационнаясверхпластичность.Вышетемпературырекристаллизациизаметного
упрочненияневозникает.
Влияниеэлектромагнитногополянаструктуруисвойства
металлическихматериалов.
Влияниеэлектромагнитногополянаструктуруисвойстваметалловвнаибольшейстепени
проявляетсявусловияхпротеканиятокавысокойплотности(до100000000А/м^2)черезочаг
деформации.Вданномслучаевозникаетэффектэлектропластичностиметаллов,
проявляющийсявзначительномприращениидеформациидажеприкомнатныхтемпературах.
Протеканиетокавысокойплотностивметаллевызываетувеличениеплотностивакансий,
длинупробегадислокаций,внутреннийнагревдефектныхмикрообъемовметаллаиповышение
градиентовхимическихпотенциалов.
Эффектэлектропластичностиприменяетсявтехнологииволоченияприизготовлении
сверхтонкихпроволокиметаллическихволокон.
Приэлектропластическойобработкерастуткакпрочностные,такипластические
характеристики.

56
Лекция№13
Вязкоеихрупкоеразрушение.Этапыпроцессахрупкогоразрушения.Влияние
температуры,порогхладноломкости.Трещиностойкость,вязкостьразрушенияK1c.
Основныепонятиямеханикиразрушения:расчетыразмеровтрещины.Модели
Гриффитса,Инглиса-Зинераидр.СоотношениемеждуK1cипределомтекучести
материалов.
Вязкоеихрупкоеразрушение.Этапыпроцессахрупкогоразрушения.
Отконструкционногоматериалатребуетсянетольковысокоесопротивлениедеформации
(упругой,характеризуемоймодулямиЕиG;пластической-пределамибвиб0.2),ноивысокое
сопротивлениеразрушению.Общеесопротивлениедеформацииобъединяютвобщеепонятие
прочность,асопротивлениеразрушению-надежность.Еслиразрушениепроисходитнеза
один,азамногиеактынагружения,причемзакаждыйактпроисходитмикроразрушение,тоэто
характеризуетдолговечностьматериала.
Еслиматериалпластичен,топревышениеопределенногоуровнянапряженияприводитв
движениедислокации,которыескапливаютсяукаких-тонепредоолимыхдлянихпрепятствий
(включения,границызеренидр.).Рис.57.
Рис.57.Скоплениедислокацийупрепятствий(а),скоплениеиобразованиезародышевой
трещины(б).
(а)
(б)
(в)
Рис.58.Концентраторынапряженийвустьедефекта.а-трещина,б-острыйнадрез,в"мягкий"
надрез.
Прибольшомскоплениидислокацийэтизонывообщестановятсянеспособнымик
пластическомудеформированиюидальнейшийростнапряженийведетвэтомместек
образованиюмикротрещин.Можноконстатировать,чтодефектыстроенияинесплошности
являютсяконцентратораминапряжений,т.е.покраямдефектанапряжениямогутсущественно

57
отличатьсяотсреднего.Концентрациянапряжения(К)тембольше,чемостреедефектибольше
егодлина,чтовыражаетсяследующейформулой:
К=2(l/r)^0.5
Нетольковнутренниедефекты,ноиповерхностные,втомчисленадрезыразличнойдлины(l)
иостроты(r)способствуютконцентрациинапряжений.
Величинаrможетбытьоченьмалой,т.е.трещинаоченьострая,ноонанеможетбытьменьше
0.1нм,т.е.меньше,чемдиаметратома,инадополагать,чтоминимальныйрадиустрещин
составляетпримерно10нм(10^-5мм).ДлятакойпредельноостройтрещинывеличинаК
составляет:
К............60020060
L............10.10.01
Еслитакаяпредельноостраятрещинадоросладо1мм,товеевершинахнапряжениев600раз
большесреднего.Еслипринятьтеоретическуюпрочностьнаотрывбтеор=Е/10=21000Мпа,
топрисреднемнапряжениивсеголишь100Мпавустьетрещины(l=0.1мм)возникает
напряжение,равноетеоретическойпрочности,иразрушениепроизойдетпутемотрываодних
слоеватомовотдругих.Начинавшийсялавинныйпроцессразрушениябудетпротекатьдотех
пор,покатрещинанеразделитметалл,таккакпомереростадлинытрещины,чтоследуетиз
приведенноговышеуравнения,требуетсявсеменьшееименьшеенапряжение.Разрушение
происходитпутемобразованиятрещиныиееростадокритическойвеличины.Описанный
механизмхарактеризуеттакназываемоехрупкоеразрушение.Гриффитсомбыло
установлено,чтосуществуетнекотораякритическаядлинатрещиныросткоторойпроисходит
самопроизвольноисопровождаетсяуменьшениемэнергиивсистеме.Еслитрещинабудет
раскрыватьсяирадиусвеевершинеувеличиваться,т.е.нетолькоl,ноиrбудетрасти,тодля
еедвижениябудеттребоватьсявсебольшееибольшеенапряжение(еслидробьl/rбудет
уменьшаться).Вэтомслучаетрещинатакинедостигнеткритическогоразмера,хотяможет
распространятьсянавсесечение.Такоеразрушениеявляетсявязким.Весьмачастыслучаи
смешанногоразрушения.Рис.59.
Рис.59.Хрупкая(а)ивязкая(б)составляющие.Схемыхрупкого(а)ивязкого(б)
разрушений(сечениеперпендикулярноповерхностиизлома).
Влияниетемпературы,порогхладноломкости.
Видразрушениязависитотмногихфакторов-составаметалла,егоструктурногосостояния,
условийнагруженияиособеннооттемпературы.Длямногихметаллов,впервуюочередь

58
имеющихобъемноцентрированнуюкубическуюилигексагональнуюрешетку,при
определенныхтемпературахизменяетсямеханизмразрушения,хрупкоеразрушениепри
высокойтемпературесменяетсявязким.Рис.60.
Рис.60.Схема,показывающаявозможностьхрупкогоивязкогорузрушенияодногоитогоже
металлавзависимостиоттемпературыиспытания.
ПонижениетемпературынеизменяявеличинысопротивленияотрывуSкзначительно
увеличиваетсопротивлениепластическойдеформациибт.Поэтомуметаллы,пластичныепри
нормальнойтемпературе,могутпринизкойтемпературеразрушитьсяхрупко.Здесь
сопротивлениеразрывуSкибтсоответствуеттемпературепереходаметаллаотвязкого
разрушениякхрупкомуинаоборотполучиланазваниекритическойтемпературыхрупкости.
ЧемвышесопротивлениеотрывуSк,темменьшеметаллсклоненкхрупкомуразрушению,т.е.
темнижетемпературапереходаметаллаилисплаваизвязкоговхрупкоесостояние.
Склонностькхрупкомуразрушениювозрастаетсповышениемскоростидеформированияис
увеличениемразмеровизделия(масштабныйфактор).
Трещиностойкость,вязкостьразрушенияK1c.
Усилие,необходимоедлятого,чтобыпродвинутьтрещинуна1см,иобозначаемоечерезG(не
путатьсмодулемГука,которыйтожеобозначаетсяG),посмыслуиразмерности
аналогичноработераспространениятрещины.
Расчетыприводяткследующемусоотношению:
G=Lб^2/Е
гдеб-среднеенапряжение.
ВеличинаGдостигаеткритическогозначения(Gc),когдакритическоезначениеполучит
произведениеlб^2(длинатрещины,умноженнаянаквадратнапряжения).КритерийG
связываетвоединоприложенноенапряжение(б)идлинудефекта(L),откоторыхзависти
надежностьматериала,егосопротивлениеразрушению.Математическойинтерпретацией
критерияGявляетсяпараметрК(называемыйкоэффициентоминтенсивностинапряжения).Он
используетсяврасчетахнапрочность:
G=K^2/EилиК=(GE)^0.5=бL)^0.5
РазмерностьпараметраК-кгс/мм^3.5показывает,чтоэтахарактеристика-лишьудобная
трансформацияпараметраG,имеющегочеткийфизическийсмысл.Коэффициент

59
интенсивностинапряженияКприразрушениипутемотрываобозначаюткакК1Сиопределяют
намассивныхобразцах.Рис.61.ПрактическоеприменениепараметраК1Ссостоитвтом,что
понемуможноопределитьвеличинуразрушающихнапряженийвзависимостиотдлины
дефектаи,наоборот,знаярабочеенапряжениевдетали,можнопредсказатьразмертрещин,при
достижениикоторогопроизойдетразрушение.Рис.62.
Рис.61.
Рис.62.
Рис.61.Образецдляопределениявязкогоразрушения.Рис.62.Кривыеразрушающего
напряжениявзависимостиотдлинытрещины.
Основныепонятиямеханикиразрушения:расчетыразмеров
трещины.МоделиГриффитса,Инглиса-Зинераидр.
МодельразрушенияГриффитса,рассмотреннаяранее,применимавосновномкхрупким
материалам,модельИнглиса-Зинераосновананапредставлении,чтовметаллеможет
одновременнодействовать
несколькомеханизмовразрушения,кореннымобразом
отличающихсядруготдруга.Здесьхарактернымявляетсяпластическаядеформация,обычно
предшествующаяразрушению.Опытпоказывает,чтопластическаядеформацияв
кристаллическихматериалахосуществляетсянеоднороднонеповсемуобъемуобразца,алишь
внутриизолированныхобластей,называемыхполосамискольжений.Расстояниемежду
полосамискольжения.Вполикристаллическихматериалахполосаскольженийограничена
однимзерном.Предполагают,чтоонаведетсебякакизолированнаяаморфнаяобласть.
Материалкак-бысостоитиздвухфаз:одной,имеющей"аморфную",идругой,имеющейчисто
упругуюприроду.Поддействиемнапряжениясдвигаперваяфазаупругодеформируетсяи
можеттечь.СкоростьупругогосмещенияопределяетсяпозаконуГука,аскоростьвязкого
течения-позаконуНьютона.СуммарнаядеформацияопределяетсяуравнениемМаксвелла:
.
.
εκ=(бκ/η)+(бκ/G)
Допустим,чтообразецсостоитизаморфнойфазы,подчиняющейсяуравнениюМаксвелла.
Еслионвнезапноподвергнутдеформацииизатемудерживаетсявэтомсостоянии,тоεκ=0,а
уравнениепоследифференцированиясводитсякследующему:
σκ=σ0exp(-Gt/η)

60
Такимобразом,ослабление(релаксация)напряженияваморфномстержнесовременемносит
экспоненциальныйхарактерихарактеризуетсявеличиной:τ=η/G,называемойвременем
релаксации.Оноравновремени,втечениекоторогоначальноенапряжениебуменьшаетсяве
раз.Длядвухкомпонентноймоделиматериаларис.63.напряжениесдвигавнутривязкой
областипридеформацииподаннойсхеменачинаетрелаксировать.Внепосредственном
соседствесвязкойобластьюупругаясредабудетиметь
остаточныенапряжения,
обусловленныедеформацией,котораяоставаласьввязкойобластиЭтиостаточныенапряжения
всвоюочередьобусловятнапряжениясдвигаввязкойобласти.Постепеннаярелаксацияэтих
последнихнапряженийсдвигавконцеконцовприводиткполнойрелаксациивсехнапряжений,
иобразецпереходитвпервоначальноесостояние.Релаксациявсехостаточныхнапряжений
приводиткупругомупоследействию.
Рис.63.Концентрациянапряженийвупругойсреде,создаваемойрелаксациейнапряженийв
"аморфнойобласти".а)бк=0;б)б-бк≠0;в)-бк≠0;t≠0(релаксация);г)-бк=0,t=бескон.
СоотношениемеждуK1cипределомтекучестиматериалов.
Дляпластичныхматериаловнеобратимаяработа,расходуемаянаобразованиеединицы
свободнойповерхноститрещинынормальногоразрываприеесубкритическомросте,есть
величинапостоянная,зависящаяотпределатекучестиматериалаиегоупругихсвойств(vиЕ)
иможетбытьвыраженатак:
1−ν^2
γ=α−−−−−−∗б0.2^2
2∗E

61
Лекция№14
Требованиякмеханическимсвойствамконструкционныхматериалов.Путиповышения
прочностиметаллическихматериалов.Высокопрочныематериалы.Долговечность.
Требованиякмеханическимсвойствамконструкционныхматериалов.
Сталь,применяемаядляизготовлениядеталеймашин,строительныхконструкцийидругих
сооружений,должнаобладатьвысокимкомплексоммеханическихсвойств,аневысоким
значениемкакого-либоодногосвойства.Материал,идущийнаизготовлениедеталей,
подвергющийсябольшимнагрузкам,долженхорошосопротивлятьсятакимнагрузкаминаряду
свысокойпрочностьюобладатьвязкостью,чтобысопротивлятьсядинамическимиударным
воздействиям.Другимисловами,материалдолженобладатьпрочностьюинадежностью.
Деталях,испытывающихзнакопеременныенагрузки,металлдолженобладатьвысоким
сопротивлениемусталости,атрущиесядетали-сопротивлениемизносу.Вомногихслучаях
требуетсяхорошеесопротивлениекоррозии,ползучестиидругимпостояннымвоздействиям,
т.е.деталидолжныбытьдолговечности.
Путиповышенияпрочностиметаллическихматериалов.
Приразработкесоставовконструкционныхсталейирежимовихтермическойобработкинужно
рассматриватьвпервуюочередьтакиеспособы,прикоторыхпластическиеивязкиесвойства
уменьшаютсявминимальнойстепени.Применениезакалкиспоследующимотпуском
позволяетширокоизменятьпрочностныесвойстваотмаксимальных,соответствующих
закаленномусостоянию,доминимальных,соответствующихотожженному.Повышение
прочности,засчеттемпературыотпускаведеткповышениюпорогахладноломкостии
следовательно,уменьшениюдоливолокнавизломеиуменьшениюработыраспространения
трещины.Путьповышениянадежностисталипривысокойпрочности-этосочетаниеее
мелкозернистости,№10-12номерзерна(применениеВТМО)иуменьшениесодержания
вредныхпримесей,О+N<200анм,чтодостигаетсяиспользованиемчистойшихтыи
вакуумирования.Вэтомслучаеприбв=18002000Мпа,ар=400-600кДж/м^2.Высокий
комплексмеханическихсвойствпринадлежитпродуктамотпускамартенситаилибейнита,
поэтомупризакалкеследуетдобиватьсясквознойпрокаливаемости.Важно,чтобыпризакалке
образовалсяневерхний,анижнийбейнит,таккакпослеотпускакарбиднаяфазаизнижнего
бейнита(имартенсита)выделяетсяввидедисперсныхчастиц.Влияниелегирующих
элементовдвояко:соднойстороны,ониуглубляютпрокаливаемостьитемсамымснижают
порогхладноломкости,сдругойстороны,они,растворяясьвферрите,повышаютпорог
хладноломкости.Избыточноелегированиестановитсявредным.Исключениесоставляет
никель,которыйпонижаетпорогхладноломкости.
Высокопрочныематериалы.Долговечность.
Стали,обработанныенапрочностьболее1500Мпа,называютсявысокопрочными.Высокая
прочностьдостигаетсяподборомсталииспецифическойобработкой.Квысокопрочнымсталям
относят:
-сталиобычногосостава,номелкозернистыеивысокочистые;
-никелесодержащиестали(18Х2Н4ВА),крометогосталилегированныекобальтом;
-особомелкозернистыестали№зерна13-14(30Х5М2СФАпослеВТМО);

62
-сталисоструктуройсреднеуглеродистогомартенситапослеМТО.Здесьпосленебольшой
пластическойдеформацииужетермическиобработаннойсталипрочностьневозрастает,
пределтекучестидостигаетпрактическипределапрочности;
-сталискарбонитриднымупрочнением,врезультатекоторогообразуютсяупрочняющие
дисперсныекарбонитридныефазыприлегированиисталиванадиеминиобием(иногда
дополнительноалюминиемититаном)всочетаниисповышеннымсодержаниемазота(до0.030
%).15ГФ,15Г2СФи10Г2Б.
-сталиинтерметаллидногоупрочнения(мартенсито-стареющие),вкоторыхпризакалке
получатсяпрактическибезуглеродныймартенсит,азатемприотпускепроисходитвыделение
интерметаллидныхфаз(Н18К9М5Т,Н18К12М5Т2,Н16К4М5Т2Ю);
-трип-стали,внихсоставдолженбытьтаков,чтобызакалкой(с1000-1100С)фиксировалась
прикомнатнойтемпературечистаяаустенитнаяструктура(точкаМндолжналежатьниже
комнатнойтемпературы,аМd-выше(Мd-температура,вышекоторойдеформацияне
вызываетмартенситногопревращения).Типичныйсоставтрип-сталитаков:0.3%С,9%Cr,
8%Ni,4%Mo,2%Mn,естьидругиесоставы.
Особенноважноесвойствосталей-высокоесопротивлениеразвитиютрещины,что
связываетсясдолговечностьюматериала.Например,вязкостьразрушения(интенсивность
напряжениявустьетрещиныК1Суобычнойхромоникельмолибденовойсталиприб0.2=15Гпа
составляетоколо35Мпа*м^2,умартенсито-стареющейсталипритойжепрочности-около
95Мпа*м^2,аутрип-стали-свыше157Мпа*м^2.
Квысокопрочнымматериалампринадлежаткомпозитысволоконнымармированием
нитевиднымикристаллами,дисперсноупрочненныекомпозитыикомпозитынаправленной
кристаллизации-эвтектическиекомпозиционныематериалы.

63
Лекция№15
Конструкционныестали.Цементуемыеиулучшаемыестали,классификацияпо
химическомусоставу.Дефектылегированныхсталей.Рессорно-пружинныесталии
сплавыобщегоиспециальногоназначения.
Конструкционныестали.
Конструкционныминазываютсястали,применяемыедляизготовлениядеталеймашин,
конструкцийисооружений.Стали,применяемыевконструкцияхисооружениях,называются
строительными.Четкойграницыпохимическомусоставумеждустроительнойи
машиностроительнымисталяминет.Конструкционнымимогутбытькакуглеродистые,таки
легированныестали.Содержаниеуглеродавэтойгруппенепревышает0.6%.
Конструкционныеуглеродистыесталиразделяюттакжепоназначению,технологическим
признакам:таблица.
Маркастали
Сталиобщего
Сталиспециальногоназначения
Качественные
назначения
ГОСТ380-88Нелигирова-
нныеи
легированные
дляотливок
ГОСТ977-75
Рессорно-
пружинные
ГОСТ
1459-79
Повышенной
ивысокой
обрабаты-
ваемости
резанием
ГОСТ1414-74
Средне-
углеродистые
пониженной
прокалива-
емости
конструкцио-
нныестали
ГОСТ
1050-74
Ст0,СТ1кп
15Л
А11
05
Ст1пс
20Л
65
А12
НИПРА
08
Ст1сп
25Л
70
А20
50ППП
10
Ст3пс
30Л
75
А30
15
Ст3кп
35Л
80
А35
20
Ст3Гсп
40Л
85
А40Г
25
Ст4кп
45Л
АС40
30
Ст5Гпс
50Л
35
Ст6пс
55Л
40
Сталиобщегоназначенияизготавливаются:кипящие(кп),полуспокойные(пс),спокойные(сп).
ДляобозначенияповышенногосодержаниямарганцапосленомерамаркиставятбуквуГ.
Сталькачественнаяуглеродистаяпоспособураскисленияподразделяетсяна:кипящую,
полуспокойнуюиспокойную.Маркикипящейкачественнойуглеродистойстали:05кп,10кп,
20кп,-полуспокойной08пс,10пс,15пс,20пс,-маркиспокойнойсталивданнойтаблице
перечисленыбезиндекса.Кромеуказанныхвтаблице,ГОСТ1414-75предусматриваетеще
одиннадцать,аГОСТ14959-79ещедвенадцатьмароклегированныхсталей.ГОСТ977-79
распространяетсяналегированныесталидлялитейнойтехнологии.
Сталиобщегоназначенияприменяются,какправило,безтермообработкиилипосле
нитроцементацииилицементации,дляизготовлениядеталейнеответственногоназначения,
воспринимающихбольшиенагрузки.СталимарокСт5Гпс,Ст6сп,атакжеподобныеим
воспринимаютзакалкуинизкийотпуск.Углеродистыекачественныестали(заисключением
05кп,...,10пс)обычнопроходятцементацию,улучшениеилизакалкусотпуском,атакже

64
применяютсяпослеТВЧ-марки40...58(55ПП).ОбычнаяТОрессорно-пружинныхсталей:
закалкаисреднийотпуск470...520С.
Кромеуглеродистыхвмашиностроениидляответственныхдеталейприменяют
конструкционныелегированныесталиГОСТ4543-71.Этисталиразделяютсянагруппы:
хромистая,марганцовистая,хромомарганцевая,хромокремнистая,хромокремнемарганцевая,
хромоникелеваяидругиестали....
.Потехнологическимпризнакамихразделяютна
цементуемыестали,сталидляазотирования,улучшаемыестали,воздушнозакаливающиеся
сталиит.п.
Цементуемыеиулучшаемыестали,классификацияпохимическому
составу.
Цементуемыесталиразделяютсянатригруппы:углеродистыесталиснеупрочняемой
сердцевиной,низколегированныесталисослабоупрочняемойсердцевинойиотносительно
высоколегированныесталиссердцевиной,сильноупрочняемойпритермическойобработке.
Сталипоследнейгруппыназываютвысокопрочнымицементуемымисталями.Книмотносят
сталисневысокимсодержаниемлегирующихэлементов,носповышеннымсодержанием
углерода(0.25-0.30%).Химическийсоставнаиболеераспространенныхцементуемыхсталей
показанвтаблице.
Сталь
С
Cr
Ni
Mn
10
0.07-0.13
20
0.17-0.24
20Х
0.17-0.23
0.7-1.0
15ХР
0.12-0.18
0.7-1.0
20ХН
0.17-0.23
0.45-0.75
1.0-1.4
20ХГР
0.18-0.24
0.7-1.1
0.7-1.0
20ХНР
0.16-0.23
0.7-1.1
0.8-1.1
18ХГТ
0.17-0.23
1.0-1.3
0.8-1.1
18ХНМФА
0.16-0.21
0.6-0.9
0.8-1.1
12ХН3
0.08-0.16
0.6-0.9
2.75-3.15
20Х2Н4
0.16-0.22
1.25-1.65
3.25-3.65
18Х2Н4
0.14-0.20
1.35-1.65
4.0-4.4
0.45-0.65Mo
Марка
стали
Структура
сердцевины
бв,
Мпаб0.2,
Мпаδ,%Ψ,%ан,
кДж/м^2Т50,С
10,15,20
Феррит+перлит400-470250-
30035-3070-601000-1500-40...-20
15Х,15ХР,
20ХН
Верхнийбейнит750-850650-
70015-2055-651000-1200-50...-20
18ХГТ,
20Х2Н4,
18Х2Н4МА
Мартенсит,нижний
бейнит
1200-
13001000-
110012-1550-60800-1400-50...-
120
Разнаястепеньупрочнениясердцевиныпритермическойобработкеобъясняетсяполучением
разныхструктурвследствиеразличийвкинетикераспадапереохлажденногоаустенита.
Механическиесвойствасердцевиныцементуемыхсталейпоказанывтаблице.
Улучшаемыесталисодержат0.3-0.4%Сиразноеколичестволегирующихэлементов(хром,
никель,молибден,вольфрам,марганец,кремний)всумменеболее3-5%ичастооколо0.1%
измельчителейзерна(ванадий,титан,ниобий,цирконий).Улучшение-закалкавмаслеи

65
высокийотпуск(550-650С).Чембольшевсталилегирующихэлементов,тембольшееее
прокаливаемость.Посколькумеханическиесвойствасталиразныхмарокпослеулучшенияв
случаесквознойпрокаливаемостиблизки,тонемеханическиесвойства,апрокаливаемость
определяетвыборсталидлятойилиинойдетали.Улучшаемыесортасталиусловноразбитына
пятьгрупп.Помереувеличенияномерагруппырастутстепеньлегирования,иследовательно,
размерсечения,вкоторомдостигаетсясквознаяпрокаливаемость.
ГруппаСтальСMnSiCrNiдругиеКритиче-
ский
диаметр,
мм
Темпера-
тураполу-
хрупкости,
Т50С.
I
40
0.37-
0.44
10
-20
II
40X0.36-
0.44
0.8-
1.1
15
-50
III
40ХГР0.37-
0.450.7-
1.0
0.8-
1.1
30
-20
IV
40ХН0.36-
0.440.6-
0.90.17
-
0.37
0.45-
0.751.0-
1.4
25
-60
V38ХН3МФ0.30-
0.42
1.2-
1.53.0-
3.40.1-0.2
V
100
-100
Дефектылегированныхсталей.
Влегированныхсталяхпоявляютсяразличныедефекты,встречающиесярежевуглеродистых
сталях.Книмотносят:отпускнаяхрупкость(см.раннеевлекционномматериале),дендритная
ликвацияифлокены.
дендритнаяликвация-появлениеееобусловленонеравновеснойкристаллизацией
сплавов.Наличиелегирующихэлементовспособствуетпоявлениюдендритнойликвации.Что
создаетразницувконцентрацияхмеждуранееипозднеевыпавшимиизжидкостикристаллами.
Послепрокаткииковкипоявляютсяволокна,вытянутыевдольнаправлениядеформации.Это
создаетанизотропиюмеханическихсвойств.Дляустранениядефектасталиееподвергают
длительномуотжигупри1000-1200С.
флокены-представляютсобойвизломепятна(хлопья),авпоперечноммикрошлифе-
трещины.Флокеныобразуютрастворившийсявжидкойсталиводород,которыйпри
охлаждениисталисоздаетсильныевнутренниенапряжения.Флокеныустраняютсяковкойна
меньшийразмер.
Рессорно-пружинныесталиисплавыобщегоиспециального
назначения.
Главноетребованиекрессорно-пружиннойстали:высокийпределупругости(текучести).Это
достигаетсязакалкойспоследующимсреднимотпуском(300-400С).Пружиныизготавливают
изсталейсповышеннымсодержаниемуглерода(0.5-0.7%),частосдобавкамимарганцаи
кремния.Дляособоответственныхпружинприменяютсталь50ХФ,содержащуюхроми
ванадийиобладающиенаиболеевысокимиупругимисвойствами.Частопружины
изготавливаютизшлифованнойхолоднотянутойпроволоки(серебрянки).Наклепотхолодной
протяжкисоздаетвысокуютвердостьиупругость.(У7,У8,У9,У10)Дляповышенияпредела

66
упругостипружиныпосленавивкиотпускаютдляснятиявнутреннихнапряжений(250-350
С).Стойкостьпружин,испытывающихзнакопеременныенагрузки,повышаютобработкой
(обдувкой)поверхностидеталидробью-поверхностныйнаклеп.Составпружиннойстали
показанвтаблице.
Составпружиннойстали.
Таблица.
Марка
С
Mn
Si
Cr
V
65
0.62-0.700.50-0.800.17-0.37
70
0.67-0.750.50-0.800.17-0.37
75
0.72-0.800.50-0.800.17-0.37
65Г
0.62-0.700.80-1.200.17-0.37
50С2
0.47-0.550.60-0.901.50-2.00
55С2
0.52-0.600.60-0.901.50-2.00
60С2
0.57-0.650.60-0.901.50-2.00
70С3А0.66-0.740.60-0.902.40-2.80
55СГ
0.50-0.600.80-1.001.30-1.80
60СГ
0.55-0.650.80-1.001.30-1.80
50ХФА0.46-0.540.50-0.800.17-0.370.80-1.100.10-0.20
50ХГФА0.48-0.550.80-1.000.17-0.370.95-1.200.15-0.25
60С2ХА0.56-0.640.40-0.701.40-1.800.70-1.00
Режимтермическойобработкипружинирессор.Таблица.
МаркасталиТ,Сзакалки
Средазакалки
Т,С
отпуска
НВ
50С2
870
Маслоиливода
460
365-410
60С2
870
Масло
460
390-480
50ХФА
850
520
390-480
60С2Х2
870
420
420-475
КромеуказанныхсталейприменяютмаркиУ9А,У10А,У11А,У12А.Однакоониобладают
низкойкоррозионнойстойкостьюиспособныработатьпритемпературенеболее100С.Для
особыхусловийработыупругихэлементовприменяютсплавыспециальногоназначения.К
нимотносятследующиегруппы:
-коррозионностойкие(ГОСТ5632-72)стали-20Х13,08Х18Н10Т,12Х18Н9Т,аустенитные
сплавы,упрочняемыедисперсионнымтвердением(ГОСТ10994-74):36ХНТЮ,36ХНТЮ8М;
-немагнитные:17Х18Н9,37Х12Н8Г8МФБсталиивредкихслучаяхсплавы:36ХНТЮ,
36ХНТЮ8М,
-снизкимтемпературнымкоэффициентоммодуляупругости(сплавыобеспечивающие
повышеннуюточностьработыупругихэлементов).Этоферромагнитныесплавына
железоникельхромовойоснове:42НХТЮ,42НХТЮА,44НХТЮ(ГОСТ10994-74),
-высокоэлектропроводныепружинныесплавы.Книмотносятсплавынаосновемеди-бронзы.
Абсолютныезначенияпределаупругостибронз,например,бериллевых-непревышают
величин,которыеможнополучитьдлястали,ноблагодаряменьшемув1.5-2разамодулю
упругостионихарактеризуютсямаксимальнойупругойдеформацией(энергией),которую
можнодостигнутьвупругихэлементах.Крометого,бронзы(БрБ2,БрБНТ1.7-ГОСТ18175-
78),атакжерядлатуней(Л85,Л80,Л68)обладаютвысокойэлектропроводностью,
коррозионнойстойкостью,легкообрабатываютсядавлениемирезанием.

67
Лекция№16
Выбормаркистали,видаирежиматермическойобработки.Учетдействующихнагрузок
иразмеровдетали.Рольлегированияипрокаливаемостьстали.Выбортемпературы
отпусказакаленныхдеталей.
Выбормаркистали,видаирежиматермическойобработки.
Учетдействующихнагрузокиразмеровдетали.
Рольлегированияипрокаливаемостьстали.
Выбортемпературыотпусказакаленныхдеталей.
Лекция№17
Жаропрочныесталиисплавы.Коррозоинностойкиестали.Кислотостойкиесталии
сплавы.Магнитныесталиисплавы.Электротехническиесплавы.Сплавысособыми
тепловымииупругимисвойствами.Материалыспамятьюформы.
Жаропрочныесталиисплавы.
Различаютжаростойкиеижаропрочныеметаллыисплавы.Поджаростойкостьюпонимают
способностьсопротивлятьсяокислению(окалиностойкость).Жаропрочнымисталямис
сплавамипонимаютматериалы,обладающиеповышеннымимеханическимисвойствамипри
повышенныхтемпературах.Втакихусловияхпрочностьметаллаопределяетсядвумя
факторами-температуройивременем.Рис.64.
Рис.64.Зависимостьпрочностиоттемпературыиспытаний.
Рис.65.Пределпрочностижелезаоттемпературыиспытаний.Заштрихованаобласть
напряжений,вызывающаяползучесть.
Припониженнойтемпературеt1прочностьмалозависитотпродолжительностивоздействия
нагрузкиипринапряжениинижебвразрушениепрактическинепроизойдет.Возрастаниеугла
наклонапрямыхпоказывает,чтоприболеевысокихтемпературахзависимостьэтасуществует.

68
Привысокихтемпературахдляоценкипрочностииспользуютпределпрочностидляданной
температуры,когдаразрушениебудетиметьместопослеопределенноговоздействия-
длительнаяпрочность.Дляжелезаиегосплавовпрочностьпри200-300Свышепрочности
прикомнатнойтемпературе,апластичностьивязкостьниже(нарис.65непоказано).Это
явлениеноситназваниесинеломкости.Рис.65.Нижняякривая,котораяначинаетсяот350С,
показываетпрочностьжелезапричрезвычайномалойскоростииспытания,верхняякривая
приведенадляскоростей,обычныхприиспытанииобразцов(3..5мм/мин).Температура350С
дляжелезаявляетсятемпературой,вышекоторойметаллприобретаетзаметную
чувствительностькскоростидеформирования.Еслинагрузкапревзойдетвеличиныверхней
кривой,тогдаразрушениепроизойдетвпроцессевозрастаниянагрузки.Есливеличина
напряжениялежитниженижнейкривой,тогдаразрушениянебудет.Напряжение,величина
которогонаходитсявзаштрихованноминтервале,деформируетметаллвовремени.Этоявление
называютползучестью.Ползучестьопределяютнаспециальныхустановках.Явление
ползучестиобнаруживаетсяпритемпературахвышетемпературырекристаллизацииипри
напряженияхвышепределаупругости.Жаропрочныесвойстваопределяютсяприродой
основногокомпонента(Е,Тпл,бвит.п.),еголегированием,режимамипредшествующейТО,
приводящейсплаввтоилииноеструктурноесостояние.Вкачествежаропрочныхсплавов
применяюттвердыерастворысэлементами,которыеповышаюттемпературурекристаллизации
испособныекупрочнениюзасчетдисперсионноготвердения.Однакорост,т.е.коагуляция
выделившихсячастицприработедлительноевремяпривысокойтемпературеснимаетэффект
старения.
Жаропрочныематериалыклассифицируютна:
-жаропрочныеперлитныеимартенситныестали12ХМ,15ХМ,12Х1МФ,12Х2МФСР,Х5ВФ,
15Х11МФ,1Х12ВНМФ(ГОСТ5520-79,4543-71,20072-74,5632-72)-подвергаемые
длительномумеханическомувоздействию200000чпритемпературеневыше500-600С.
Крометого,книмпринадлежатсильхромы-Х6С,Х9С2,Х6СМГОСТ5632-72,которые
имеютвысокуютемпературуначалазаметногоокисления(до850С)ииспользуютдля
изготовленияклапановвыпускадвигателей;
-аустенитныестали.Ихприменяютдляизготовленияклапановдвигателей,лопатокгазовых
турбинидругих"горячих"деталейреактивныхдвигателей-600-700С.Аустенитныестали
легируютхромом,определяющимокалиностойкость,иникелем,обеспечивающим
устойчивостьаустенита.Аустенитныесталиразделяютнагомогенные(ихчащеиспользуюткак
жаропрочныеинержавеющие)идисперсионнотвердеющие.ПоследниепроходятТО-закалка
1050-1100Сидисперсионноетвердение-старениепри600-750С.Кпервойгруппе
принадлежатмаркисталей-09Х14Н16Б,09Х14Н19В2БР,08Х18Н10Т,08Х18Н12Б,08Х23Н18,
ковторой-37Х12Н8Г8МФБ,09Х14Н19В2БР,4Х14Н14В2БР,ХН35ВТЮ(ГОСТ563272).
-никелевыеикобальтовыежаропрочныесплавы.Вслучаяхособыхтребованийжаропрочности
применяютпреимущественногомогенные(нихромыиинконели)истареющие(нимоники)
сплавы.НимоникипредставляютсобойчетвернойсплавNi(ост.)-Cr(20%)-Ti(2%)-Al(1%).
Послетермообработки(закалкиистарения)всплавеобразуютсядвекогерентныефазы,лишь
несколькоотличающиесяпараметрамииз-заразногосодержанияалюминия,γ,γ'(до40%),
межатомноевзаимодействиекоторыхобеспечиваетвысокуюжаропрочность(Нимоник90,
Нимоник100ГОСТ5632-72).Нихромыпредставляютсобойгомогенныйсплавникеляихрома
сразличнымидобавками.Гомогенныйтвердыйрастворобладаетменьшейпрочностьюи
жаростойкостью(ХН77ТЮ,ХН77ТЮР,ХН70ВМТЮГОСТ5632-72).
Коррозоинностойкиестали.
Поверхностноеразрушениеметаллаподдействиемвнешнейсредыназываетсякоррозией.
Введениевсталь>12%Crскачкообразнопридаетейкоррозионнуюстойкость.Рис.66.

69
Рис.66.Потенциалжелезохромистыхсплавов.
Сплавы,содержащиеменее12%Cr,практическиестольжеподверженыкоррозии,каки
простоежелезо.Сплавы,содержащиеболее12%Cr,ведутсебякакблагородныеметаллы(Au,
Ptит.п.),обладаяположительнымпотенциалом,онинержавеютинеокисляютсянавоздухе,в
воде,врядекислот,солейищелочей.
Коррозионностойкиесталиразделяютна:
-хромистыестали.Ониприменяютсятрехтипов:с3,17и27%Cr.Взависимостиотсостава
принадлежаткферритному,мартенситно-ферритномуимартенситномуклассам.Сталитипа
Х13применяютсядлябытовыхназначенийивтехнике(лопаткигидротурбин,лопатки
паровыхтурбин).Сталиснизкимсодержаниемуглерода(087Х13,20Х13)пластичны,изних
штампуютдетали.Стали20Х13и40Х13обладаютвысокойтвердостьюиповышенной
прочностью.Сталис17%Crобладаутболеевысокойкоррозионнойстойкостью.Ихможно
применятькакжаростойкиедо900С.ПрисадкакнимNiприводиткпоявлению
α−γпревращения,протекающегонедоконца,нодающегозаметноеупрочнение(стальХ17Н2
-являетсявысокопрочной).Сталис25-28%Crприменяютсядлядеталейпечей(муфели,
чехлытермопар,реторты)при1050-1100С.Хромистыесталиприопределенныхнагревах(450
и700С)чувствительныкохрупчиванию.Оноустранимо,есливсталименее0.005%углерода.
Такиесталиназываютсуперферритами.
-хромоникелевыестали.Введениедостаточногоколичестваникеляв18%хромистуюсталь
делаетееаустенитной,чтообеспечиваетлучшеемеханическиесвойства,меньшуюсклонность
кростузерна,атакжеболеекоррозионностойкойинехладоломкой.Наибольшее
распространениеполучилисталисостава18%Cr:10%Ni.Поструктурехромоникелевые
сталиделятсяна:
-аустенитныесталисустойчивымаустенитом(12Х18Н10,04Х18Н10,17Х18Н9);
-аустенитно-мартенситныестали(возможнообразованиемартенситаприохлаждениина
воздухеилиприобработкехолодомилиприпластическойдеформации)(08Х15Н8Ю),
-аустенито-ферритныестали,здесьаустенитможетбытьустойчивыминеустойчивым
(08Х22Н6Т,12Х22Н5Т,08Х21Н6М2Т).
Ваустенитныхсталяхпроисходитвыделениекарбидов,чтовнеблагоприятныхслучаяхможет
приводитькпоявлениюмежкристаллитнойкоррозии.Аустенитныесталитакжесклонныктак
называемойкоррозииподнапряжением.(Наповерхностиобразца,находящегосяподнагрузкой
вкоррозионнойсредеиимеющеговнутренниеостаточныенапряженияобразуютсятонкие
трещины,проходящиепотелузерна).Сохранениевысокихантикоррозионныхсвойств
достигаютсоблюдениемрежимаТО.Дляаустенитных(иаустенитно-ферритных)сталейТО-
закалкавводуот1050-1100С,дляаустенитно-мартенситных-требуетсядополнительная
обработкахолодомдляпереводаостаточногоаустенитавмартенситипоследующийотпускдля
дисперсионноготвердениява-фазе.
Дляработыпринизкихотрицательныхтемпературахприменяюткриогенныесталиисплавы
(до5К),одновременноявляющиесякоррозионностойкими(аустенитные).Здесьнаибольшее
распространениеполучилимаркисталей:12Х18Н10,12Х18Н20,12Х13АГ19.

70
Кислотостойкиесталиисплавы.
Впроизводствесинтетическихнеметаллическихматериалов,удобрений,другиххимических
продуктовдлядеталеймашиниаппаратурыприменяютболеелегированныесталиисплавы
называемыекислотостойкими.Увеличениестойкостивкислотахдаетприсадкамолибденас
медьюприодновременномувеличениисодержанияникеля(06ХН28МДТ).Наибольшей
кислотостойкостьюобладаетсплавхастеллойтипа80%Ni+20%Mo.Сплавыданноготипа
имеютминимальноесодержаниеуглерода,вызывающегомежкристаллитнуюкоррозию.Сплав
хастеллойможетработатьв30%сернойкислоте.Прибольшихконцентрацияхиповышенных
температурахработаютлишьметаллымолибден,ниобий,танталиконструкционнаякерамика.
Магнитныесталиисплавы.
Магнитныесталиисплавыразделяютсянадвегруппы:магнитнотвердыеимагнитномягкие.
Первыехарактеризуютсябольшимзначениемкоэрцетивнойсилы(Нс)иприменяютсядля
постоянныхмагнитов,вторыеобладаютнизкимзначениемНсималымипотерямина
гистерезис(
перемагничивание),применяютсядлясердечниковтрансформаторови
магнитопроводов.Природумагнитныхявленийобъясняеттеориядоменов.
Магнитнотвердыесталиисплавыразделяют:
-углеродистыестали.У10-У12,которыепослезакалкиимеютНс=60...65Э.
-хромистыестали.(1%Си1.5...3%Cr).Приблизительнотежесвойства.
-кобальтовыестали(легированныедополнительно15%Со).Нс=100...170Э.
-сплавыFe-Ni-Al(11-14%Al,22-34%Ni,ост.Fe)-альникоилиЮНДК.Нс=400...500Э.
Сплавыальникоизготавливаютметодамипорошковойметаллургии.Высокиемагнитные
свойстваполучают,используядисперсионнотвердеющиесистемысплавовтипаFe-V-Co,Fe-
Mo-Co.Однакокобальтимолибденявляютсяостродефицитнымиметаллами.Среди
магнитныхсталейширокоераспространениеполучилимаркиЕХ3,ЕВ6,ЕХ5К5,ЕХ9К15М2
ГОСТ6862-71.
Магнитномягкиематериалыразделяютсяна:
-техническоежелезо(очищенноеотуглеродаипримесей).Нс=0.01...1Э.
-электротехническаясталь.ЗдесьвысокаямагнитнаяпроницаемостьинизкаяНсобеспечена
легированиемSiдо3%испециальнойпрокаткойирекристаллизационнымиотжигами,
позволяющимиполучитькрупноеферритноезерно.Прокаткат.ж.создаеттекстуру
(ориентируетзернавнаправлениимаксимальноймагнитнойпроницаемости).Текстурованная
стальназываетсятрансформаторной,анетекстурованная-динамной.Вдинамнойсталинет
анизотропиисвойствиееприменяютдляизготовлениядеталейэлектродвигателей
переменноготока.МаркиэлектротехническихсталейЭ11,Э12..Э1200ГОСТ21473-75.
Перваяцифра-содержаниекремния,втораяуровеньэлектротехническихсвойств,"00"-
холоднокатаннаяслаботекстурованная.
-железоникелевыесплавы(пермалои)Niоколо78.5%.Ониимеютисключительновысокую
начальнуюмагнитнуюпроницаемость,в10разбольшечистогоFe,чтопозволяетих
использоватьдляработывоченьслабыхмагнитныхполях(радио,телеметрияит.п.).Кроме
пермалоевприменяютгайперники-45-50%Ni.Ихпреимуществовтом,чтоонинетребуют
высокотемпературногонагревавсредеводорода,хотяуступаютпермалоям.
Кмагнитномягкимматериалампринадлежат:альсиферы(Al-Si-Fe),перминвары(Ni-Co),
термалой(легированиедо30%Cu),порошковыесплавыFe-P,Fe-Si.
Магнитомягкиематериалыизготавливаютсяпреимущественнопорошковойметаллургией.
Особуюгруппуобразуютнемагнитныестали,которыезаменяютцветныеметаллыи
обладаютвысокойконструкционнойпрочностью55Г9Н9Х3и45Г17Ю3(аустенитная
структура).

71
Электротехническиесплавы.
Кромемагнитныхматериаловвтехникеприменяютэлектротехническиесплавы.Они
разделяютсянасплавысминимальным(
проводники)имаксимальнымудельным
электрическимсопротивлением(реостатные).Дляпроводниковприменяютчистыемедь
(бескислородныемаркиМ0,М1ГОСТ859-78)иалюминий(техническаячистотаА1...А6
ГОСТ11069-74).Дляособыхслучаевсереброилизолото,какправило,ввидепокрытияна
проводникахизмеди.Дляизготовлениясплавовсвысокимомическимсопротивлением
используютсистемысплавов,образующихтвердыерастворы.ОбычноэтонихромыХ20Н80,
Х15Н60ифехральХ13Ю4.
Сплавысособымитепловымииупругимисвойствами.
Врядеслучаевтребуютсясплавыссамымиразнообразнымисвойствами,например,сплавыс
коэффициентомлинейногорасширения,равнымкоэффициентулинейногорасширениястекла,
илискоэффициентом,равнымнулю,ат.ж.смаксимальнымкоэффициентом.Легируяжелезо
разнымколичествомникеля,можнополучитьсплавысразличнымкоэффициентомлинейного
расширения.Сплавс36%Niназываютинваром(неизменный),онпрактическинерасширяется
принагреве.Еслизаменитьчастьникелякобальтомполучаетсясплав-суперинварсеще
меньшимкоэффициентомтепловогорасширения.Сплавс48%Niимееткоэффициент
линейногорасширениякакустеклаиплатины,онполучилназваниеплатинита.Вряде
случаевтребуетсяметаллспостоянным,неизменяющимсястемпературоймодулями
упругости(Е,G),применяемыйдлядеталейразличныхточныхприборов.Такиесплавы
называютэлинварами(постояннаяупругость),онисодержат36%Ni,8%Cr,остальное-
железо.ТемпературныйкоэффициентмодулянормальнойупругостисплаваН35ХМВ
настолькомал,что,например,обеспечиваеттемпературнуюпогрешностьходачасовпорядка
0.5свсуткина1С.Элинварыприменяютвнагартованномсостоянии,Н35ХМВ-после
закалкисотпускомилизакалкиспоследующейпластическойдеформацией.
Материалыспамятьюформы.
(самостоятельнаяпроработка)

72
Лекция№18
Инструментальныематериалы.Углеродистыеилегированныестали.Быстрорежущие
вольфрамосодержащиесталииихтермическаяобработка.Безвольфрамовые
теплостойкиестали.Твердыесплавы.ТвердыесплавыВК,ТК,ТТК,ТНидр.
Сверхтвердыематериалы(алмазыидр.).
Инструментальныематериалы.
Вообщеинструментальнымиматериаламиназываютклассматериалов,которыйпосвоим
физико-механическимсвойствам(
прочность,твердость,износостойкость,рабочая
температураит.п.)превосходитдругиематериалы,чтопозволяетихприменятьдляобработки
других(впервуюочередьрезаниемидавлением).
Длярежущегоинструментаявляетсяхарактернымсохранениережущейкромкивтечение
длительноговремени.Урежущегоинструментаработаетнаизностонкаяполоскаметаллапри
значительныхдавлениях.Онадолжнаиметьвысокуютвердость(выше60НRC)исохранятьее
придлительномнагреве(красностойкостьилитеплостойкостьстали).Дляизмерительного
инструментатакжехарактернавысокаятвердостьиестьтребованияпостабильностиразмеров
вовременииприизменениитемпературы.Штампыиспытываютзначительныетепловыеи
ударныенагрузки,распределенныекаквкромках,такивповерхности.Здесьважнывязкостьи
наилучшеесочетаниееествердостью.
Инструментальныесталиразделяютначетыретипа:
-пониженнойпрокаливаемости(преимущественноуглеродистые);
-повышеннойпрокаливаемости(легированные);
-штамповые;
-быстрорежущие.
Вособуюгруппывходяттвердыесплавы,работающиепримаксимальныхскоростяхрезанияи
специфическихдавленияхобработкиматериалов,крометогокнимпринадлежатсверхтвердые
материалы(алмазы,нитридборакубическоймодификацииит.п.).
Углеродистыеилегированныестали.
Углеродистыеинструментальныесталипониженнойпрокаливаемостиобъединяютвсебятак
жесталинебольшимколичествомлегирующихэлементов.Всеэтистализакаливаютсявводе.
Ониприменяютсядляизготовленияинструментанекрупныхсечений:плашкиразвертки,
зубила,матрицыдляхолоднойштамповки.КтакимсталямпринадлежатмаркиУ7...У12ГОСТ
1435-74,Х05,Х06,65ХФ,85ХФГОСТ5950-73.Длятакогоинструментавыполняются
правила:чемвышетвердость(большеуглерода,низкийотпуск),темвышеизносоустойчивость,
номеньшепрочность.Клегированныминструментальнымсталямповышенной
прокаливаемостипринадлежатстали,содержащиелегирующиеэлементывколичестве1-3%
ипоэтомуобладающиеповышеннойпрокаливаемостью.Вотличииотпервойгруппы
инструментизтакихсталейзакаливаютвмаслеилисолинасквозь.Всвоюочередь
легированныеинструментальныесталиподразделяютсянатригруппыГОСТ5950-73:
-сприсадкой1...1.5%Cr,обеспечивающегоповышениепрокаливаемости,икремния0.35...
1.0%,создающегоустойчивостьпротивотпускаХ,9ХС,ХГСВФ;
-сповышеннымсодержаниеммарганцапринормальномсодержаниикремния.Призакалке
этоприводиткувеличениюколичестваостаточногоаустенитаиуменьшениюдеформации-
малодеформирующиесяинструментальныеХГ,ХВГ;
-высокотвердыестали,легированныевольфрамом(HRC67...69)В1,ХВ5-алмазнаясталь
(распиловкастроительногоидекоративногокамня).

73
Карбиднойфазойэтихсталейявляетсялегированныйцементит,коагуляциякоторого
происходитмедленнее,чемпростогонелегированного.Инструментальныелегированные
сталиприменяютдляизготовлениясложногопоформеинструмента.
Быстрорежущиевольфрамосодержащиесталииихтермическая
обработка.
Быстрорежущаясталь(высокаяскоростьрезания)должнаобладатьвысокойгорячей
твердостьюикрасностойкостью,обратимойинеобратимойтвердостью.Рис.67.Рис.68.
Рис.67.
Рис.68.
Рис.67.Твердостьинструментальныхматериаловвнагретомсостоянии:1-твердыйсплав,2-
быстрорежущаясталь,3-углеродистаясталь.
Рис.68.Прочностьикрасностойкостьинструментальныхматериалов:1-быстрорежущая
сталь;2-твердыйсплав;3-минералокерамика.
Наибольшейпроизводительностьюприрезаниибудетобладатьтвердыйсплав.Попрочности
разныеклассыинструментальныхсталейрасполагаютсявобратномпорядке.Красностойкость
определяет,скольдолготакаятвердостьсохраняется,посколькуприэтихрабочих
температурахпроисходятпроцессыкоагуляциикарбидов,снижающихтвердость.Для
сохранениягорячейтвердостиикрасностойкостинеобходимо,чтобынеизменяласьтвердость
принагреве.Этодостигаютлегированиемсталикарбидообразующимиэлементами(вольфрам,
молибден,хром,ванадий)вколичествесвязывающимпочтивесьуглеродвспециальные
карбиды,переходящиеврастворпризакалке.Чемвышетемпературазакалки(1200-1280С),
темвышекрасностойкость.Быстрорежущиесталиобозначаютбуквой"Р"-рапид(скорость).
ГОСТ19265-73.Р6М5(0.9%С,6%W,5%Cr,2%V)P9,P18,Р3М3Ф2,Р6М5К5.Всвязис
дефицитностьювольфрамамаркаР6М5заменяетсябезвольфрамовымисталямиР0М5Ф1(0.9%
С,5%Mo,1.5%V)иР0М2Ф3.ВтакихсталяхточкаМклежитвышекомнатной
температуры,чтодаетпослезакалкибольшойпроцентостаточногоаустенита.Для
превращенияостаточногоаустенитавмартенситпроводятобработкухолодомили
многократныйнизкийотпуск,создающиймартенситотпуска.Внекоторыхслучаях
инструментподвергаютнизкотемпературномуцианированиюилинапылениюнитридомтитана
дляулучшениярежущихсвойств.Основныенедостаткибыстрорежущихсталей-
нафталинистыйизломикарбиднаяликвация.Первыйизбегаютприменяяпредварительный
высокотемпературныйотжиг.Второйспециальнымиприемамиковки,дробящимикарбидную
сетку.вбыстрорежущихсталяхизготовленныхпорошковойметаллургиейкарбиднаяликвация
отсутствует.

74
Безвольфрамовыетеплостойкиестали.
Безвольфрамовыетеплостойкиесталинашлиприменениедляизготовленияразнообразных
штампов.Штамповыесталидолжныобладатьсочетаниемопределенныхсвойств,например,
жаропрочность,теплостойкость,термостойкость,вязкость,прокаливаемость,отпускная
хрупкость,слипаемость.Штамповыесталиделятсянадвегруппы:деформирующиеметаллв
холодномигорячемсостоянии.Инструментдляхолодногопроцессадолжениметьтвердость
нениже58HRC.ДляихизготовленияприменяютсталиУ10...У12(простыесечения)иХили
ШХ15длясложныхсеченийпритребованииповышеннойпрокаливаемости.Валкипрокатных
становдляхолодногодеформированияизготавливаютиз9Х.Дляинструментовударного
деформированиявхолодномсостоянииприменяютмарки4ХС,6ХС,4ХВ2С,5ХВ2С,6ХВ2С
ГОСТ5950-73.Дляобработкидавлениемприотносительноневысокомнагреве(накатные
плашки,ролики,фильерыдляволоченияидр.)применяютвысокохромистыестали(12%Crпри
1-1.5%С),чтоприводиткобразованиюбольшогочислакарбидовCr7C3.Этисталиобладаю
высокойизносоустойчивостью,повышеннойтеплопроводностью,малойдеформируемостью
притермическойобработкеинекоторымидругимиособымисвойствами.Посвоейприроде
сталитипаХ12похожинабыстрорежущие.Закаливаютсяоттемператур1050-1150С,при
этомсвысокихполучаютвысокуюкрасностойкость,авовтором-наибольшуюпрочность.
НаиболеераспространенымаркиХ12,Х12М,Х12Ф1,Х6ВФГОСТ5950-73.Дляработы
штамповпривысокихтемпературах(600С)иливтяжелыхусловияхработы-свысокой
производительностью,штамповкадеталейбольшихразмеров,глубокаявытяжкаилисложная
конфигурациядетали,применяютлегированныеинструментальныестали5ХНМ,5ХГМ,
5ХНСВ(ГОСТ5950-73),адлядинамическихусловийработы,например,штампы
горизонтально-ковочныхмашин-марки30Х2В8Ф,4Х5В2ФС,4Х5В5ФМ,4Х3В2М2Ф2
(ГОСТ5950-73).Перваягруппасталиимеетбольшуювязкость,носпособнаработатьпри
меньшихтемпературах.Наиболеераспространеннойтермическойобработкойтакихсталей
являетсязакалкаот1050Свмаслеинизкогоотпуска.
Твердыесплавы.ТвердыесплавыВК,ТК,ТТК,ТНидр.
Дляскоростногорезанияметалловприменяютинструмент,оснащенныйтвердымсплавом.ТС
изготавливаютввидепластинразличногопрофиляисеченияметодамипорошковой
металлургии.Дляэтогоиспользуютсмесипорошковкарбидавольфрамаикобальта,которые
прессуютвформах,азатемспекаютвводородедополучениякомпактногоизделия.Готовые
пластинысоединяютпайкойсдержавкойрежущегоинструмента.ТвердостьТСдостигает92
HRA.СтруктураТСпредставляетсобойдвасложнопереплетенныхкаркасаизкарбида
вольфрамаикобальта,сраствореннымвнемкарбидомвольфрама.Этойособенностью
структурыобъясняетсяуникальнойсочетаниевысокойтвердостииупругостиТС.ТСпо
химическомусоставыразделяютнавольфрамовые,титановольфрамовые,титановыеи
танталовольфрамовыекарбидовыесплавы.Введениетитанаидругихэлементовобусловлено
стремлениемсократитьдефицитвольфрама.Введениеметалласвязки-кобальтавТС
повышаетсопротивлениеизгибу,носнижаеттвердость.ТСприменяютсянетолькодля
изготовлениярежущихпластин,ноидлядеталейвырубныхивысадочныхштампов(ВК8),
элементовпресс-формпорошковойметаллургии.

75
ГарантируемыесвойстваТС.
Таблица.
МаркаWCTiCCoCопротивление
изгибу,МпаПлотность,
Г/См^3Твердость
HRA
ВК2
98
2
1000
15.0-15.4
90
Т5К1085510
1150
12.3-13.2
88.5
Т30К666304
90
9.5-9.8
92
Сверхтвердыемат3ериалы(алмазыидр.).
Впромышленностиприменяютинструментыизтакихтвердыхвеществ,какалмаз,нитрид
бора,окисьалюминияинитридкремния,вмонокристаллическойформеиливвидепорошкови
спековпорошков,вкачествелезвийногоинструмента,шлифовальныхкругов,суспензийи
пастидр.Алмазыприменяютсявмонокристальнойформедляизготовленияфильерволочения
тонкойпроволокиирезцов,пилскоростнойобработкицветныхметаллов,пластмасс,
минераловиполупроводников.Ввидепорошковалмазыиспользуютсякакабразивный
наполнительвспеченныхпорошковыхматериалахсметаллическойматрицейизбронзы,
латуни,мельхиорадляизготовлениясверхтонкихотрезныхкругов.Режущийинструментна
основенитридаборакубическоймодификацииобычнополучаютизполикристаллических
спеков(эльбор-Р)ввидепластинразнообразногопрофиля.Эльбор-Рврядеслучаевуспешно
заменяеттвердыйсплавиминералокерамику,особенноприточениичугунаистали.Из
вюрцитноймодификациинитридабораполучаютсверхтвердыйматериалгексанит-Р.
Гексанит-Рявляетсясамымизносостойкимматериалом,хотяуступаетэльборупри
непрерывномточенииособотвердыхзакаленныхсталей.Типичнымпредставителем
инструментальнойминералокерамикиявляетсяматериалнаосновеоксидаалюминия.
Повышениережущихсвойствминералокерамикидостигаетсявведениемвсоставдругих
тугоплавкихитвердыхсоединений.ШирокоприменяютмаркиВОК-3илиВ-3.Всостав
последнейвходиткарбидтитана.МатериалимееттвердостьНм=30-33Гпа,бсж=1-1,8Гпа,
би=0,3-0,5Гпа,термостоекдо1500С.Минеролокерамикавсехвидовимеетповышенную
хрупкостьипоэтомунаходитприменениевусловияхнепрерывногочистовогоили
получитовоготоченияотбеленныхчугунов.Дляобработкитермическинеобработанныхб
чугунаисталивусловияхнепрерывноготоченияприменяютсилинит-Р-минералокерамику
наосновенитридакремния(до97%).Ониметтужетвердость,новдвоебольшуюпрочность
присжатииирастяжениичемВ-3.Минералокерамикаизготавливаетсяпорошковой
металлургией.Вкачествеметалла-связкииспользуютжелезо,кобальтитугоплавкиеметаллы.

76
Лекция№19
Цветныеметаллыисплавы.Сплавыалюминиевыедеформированныеилитейные.
Закалкаистарение.Модулированныеструктуры.
Цветныеметаллыисплавы.
Цветныеметаллыисплавыразделяютнагруппы:легкиеметаллыисплавы(сплотностью3.0
г/см^3Al,Mg,Be);медныесплавыиспециальныецветныесплавы-мельхиор,незильбер,
драгоценныесплавыит.п..Внастоящеевремяксплавампервойгруппыотносятсплавы
титана.Производствоцветныхметалловнепрерывноувеличивается.Кважнейшимдля
машиностроенияцветнымметалламотносяталюминий,медь,никель,хром,свинециолово.
Табл.Физико-механическиесвойстваважнейшихцветныхметаллов.
ЭлементПлот-
ность,
г/см3
Тпл,
СТип
крист.
решетк
и
Удельная
теплоемко
сть
при20С
кал/г
Удел.
электр
сопр.
омсм
10^6
Е6
10
МПа
G,6
10
МПа
бв,
МПаδ,
%НВ
Al2.703660гцк0.2742.620.770.276
16
Be
2.341284гпу0.50817.6-
-
110
Mg1.74651гпу0.2434.470.430.17
30-40
Cu
8.951083гцк0.09511.551.170.452205437-42
Ti
4.51725гпу
0.1347.51.17
-
160
Ni
8.91455гцк0.10657.242.20.73
73
Pb11.34327гцк0.030918.80.180.075
3.8-4.2
Cr
7.21800оцк/гпу0.10615.25-
-
70-90
Сплавыалюминиевыедеформированныеилитейные.
(а)
(б)

77
Рис.69.Классификацияалюминиевыхсплавовподиаграммесостояния:а-двойнаясистема,б-
тройнаясистема.1-сплавынеупрочняемыетермическойобработкой,2-сплавыупрочняемые
термическойобработкой.
Сплавыалюминиевыеразделяютнадеформированные(
применяемыевкованном,
прессованномикатанномвиде)илитейные.Границумеждудвумягруппамиопределяетпредел
насыщениятвердогораствораприэвтектическойтемпературе.Рис.69.Наличиеэвтектической
структурырезкоуменьшаетпластичность,способностьпрессовываться,коватьсяипри
некоторомсодержанииэвтектики(обычнонебольшом)такаяобработкастановитсяне
осуществимой.Однакосплавыэвтектическогосостава(до15...20%пообъему)имеют
высокуюжидкотекучестьивлитейномпроизводствеимеютнаибольшееприменение.
Деформируемыесплавыподразделяютсянаупрочняемыеинеупрочняемыетермической
обработкой.Теоретическиграницеймеждуэтимисплавамидолженбытьпределнасыщения
твердогораствораприкомнатнойтемпературе,нопрактическисплавы,содержащие
легирующиеэлементывколичественемногобольшеэтогопредела,неупрочняютсяпри
термическойиз-замалогоколичестваупрочняющейфазы.Деформируемыесплавы
отличаютсявысокойпластичностьюиприменяютсядляизделийизготавливаемыхглубокой
штамповкой.КнимотносятсплавыАМц(Al-Mn)иАМг(Al-Mg).Марганецповышает
коррозионнуюстойкостьалюминиевыхсплавов,амагний,крометого,снижаетплотность
алюминиевыхсплавовиувеличиваетпрочностьбезизмененияпластичности.Кнаиболее
распространеннымсплавам,применяемымвдеформированномвидеиупрочняемымТО,
принадлежитдюралюминий.(Д1...Д16).СистемаAl-Cu-Mg.Еслидюралюминий
применяютвкованномсостояниитоегообозначаютАК1...4.Высокопрочнымдюралюминием
являютсячетверныесплавыAl-Mg-Cu-Zn.ОбозначаютсяВ95.Дляфасонноголитья
применяютсилумины-сплавыалюминиясбольшимсодержаниемкремния(12-13%Si-
заэвтектическийсплав).СилуминыупрочняютсяТО.ОбозначаютсяАЛ1...АЛ8.Естьдетали,
изготавливаемыеотливкойилиштамповкойизалюминиевыхсплавов,которыеработаютпри
температурахпорядка200-350С,например,поршень,цилиндрдвигателявнутреннего
сгорания.ПрименяемыедляэтихцелейалюминиевыесплавылегируютCu,Mn,Ni,Fe,Ti.
Жаропрочностьлитейногоалюминиевогосплаваобусловленаобразованиемпри
кристаллизациижесткогокаркасаизсоединенийMg2SiиAlxCux(Fe,Ni)z.Свойства
алюминиевыхсплавовпоказанывтаблице.
Физико-механическиесвойствапромышленныхалюминиевыхсплавов
Марка
Состояние
бв,Мпаб0.2,Мпаδ,%
Д16
Отжиг
220
110
18
Д16
Закалка+Старение
540
400
11
В95
Закалка+Старение
500
450
12
АК8
Закалка+Старение
460
-
10
АЛ8
Литьевземлю+Закалка
300
170
12
АЛ8
Литьевкокиль+Закалка
330
180
15
Закалкаистарение.
НаибольшийинтерескакдлятеориитакидляпрактикиТОпредставляеттепловая
обработкаалюминиевыхсплавов.ОбычнаяТОалюминиевыхсплавовзакалкаистарение.
Алюминийнеимеетполиморфныхпревращений.Закалканеобходимадляперевода
избыточнойфазывтвердыйраствор.Рис.69а.Гомогенныйтвердыйраствор,полученный
закалкой,распадаетсяужеприкомнатнойтемпературе.Еслизакаленныйсплавподвергнуть

78
нагревупритемпературахдажезначительноменьшихзакалочных,топроцессраспадарезко
ускорится.Операциятепловойобработки,проводимаяпослезакалкинапересыщенный
твердыйрастворалюминиевогосплаваназываетсястарением.Рентгеноструктурное
исследованиепроцессастаренияпоказало,чтопристарении,когдасплавдостигает
максимальнойпрочности,избыточнаяфазаотсутствует.Вначальныйпериодстаренияв
пересыщенномтвердомраствореатомывторогокомпонента(атомымеди),расположенныев
свежезакаленномсплавевслучайныхместах,собираютсявопределенныхместах
кристаллическойрешетки.Врезультатевнутрикристаллаобразуютсязоныповышенной
концентрациирастворенногокомпонента,такназываемыезоныГинье-Престона.
Поименифранцузского(Гинье)ианглийского(Престон)ученых,одновременно(1938г)
обнаружившихпроцессыпристарениидюралюминия.
Атомымединаэтойстадиистаренияизраствораневыделились,поэтомусреднеезначение
параметрарешеткинеизменилось.Однаковместахповышеннойконцентрациивторого
компонентапараметрдолженбытьиной,чемвобедненныхместах,этосоздаетбольшие
напряжениявкристаллеидробитблокимозаики,чтоиприводиткповышеннойтвердости.
ЗоныГ.П.представляютсобойтонкиепластинчатые,дискообразныеобразованиятолщинойв
несколькоатомныхслоевипротяженностьювнесколькодесятковатомныхслоев.содержание
медивнихповышенное,нонеотвечаетформулеCuAl2.ЗоныГ.П.принагревеивыдержке
увеличиваютсявразмере.Этотпроцессназываютзоннымстарением.Послеобразования
крупныхзонГ.П.,например,послевыдержкипритемпературе100С,происходитих
превращениевθ'фазу,имеющиюотличиекристаллическойрешеткикакоттвердогораствора,
такистабильнойфазыCuAl2,икогерентносвязаннуюсисходнымтвердымраствором.Этот
процессназываютфазовымстарением.Дальнейшийнагревпреобразуетθ'-фазувстабильну
θ-фазу(CuAl2)ипроисходитеекоагуляция.УкрупнениеCuAl2приводиткпотере
оптимальногокомплексафизико-механическихсвойств.Перечисленныепроцессы
происходятвтечениедлительноговременииприкомнатнойтемпературе,исключение
составляетпроцессукрупненияCuAl2-кристаллов,длячеготребуетсянагрев200-350С.

79
Лекция№20
Латуни.Бронзыоловянные,алюминиевыеидр.Модулированныеструктуры.
Магнийимагниевыесплавы.Титаниегосплавы.Бериллий.
Антифрикционныематериалы.Строение,свойстваиприменение.
Латуни.
Практическоеприменениеимеютмедныесплавыссодержаниемцинкадо45%,которые
называютсяЛАТУНЯМИ.ГОСТ17711-80.Диаграммасостояниямедь-цинксоставленаиз
пятипростыхперетектическихдиаграмм.Прикомнатнойтемпературепрактически
применяемыелатунилибосостоятизоднихα-кристаллов,либоявляютсясмесьюα-иβ-
кристаллов.МеханическиесвойствасплавовCu-Znвзависимостиотсодержанияцинка
приведенынарис.70.
Рис.70.МеханическиесвойствасплавовCu-Zn.
Цинкповышаетпрочностьипластичностьсплава.Максимальнойпластичностьюобладает
сплавс30%Zn.Переходчерезграницуоднофазнойобласти(39%Zn)резкоснижает
пластичность;β-латуньобладаетмаксимальнойпрочностью(бв=400Мпа)приотносительно
низкойдлялатунейпластичности(δ=7%);γ-латуньявляетсявесьмахрупкой.Литейные
свойствалатунейхарактеризуютсямалойсклонностьюкликвации,хорошейжидкотекучестью,
большейусадкой.α-латунилегкоподдаютсяпластическойдеформации,поэтомуизних
изготавливаютразличныйпрокатЛ62,Л68.ЛатунимаркируютбуквойЛ,цифрыобозначают
среднеесодержаниемедивсплаве.α+β-латуниимеютвысокуюобрабатываемость
резанием,наиболеераспространенамаркаЛ59.Дляулучшенияобрабатываемостирезаниемв
латуньвводятсвинец.ЛатуньмаркиЛС59содержитоколо40%Znи1...2%Pb,онаназывается
автоматной.Олововлатуняхдобавляютдляприданиясплавусопротивлениякоррозиив
морскойводе-морскаялатунь,алюминийиникельдляповышениямеханическихсвойств.
Механическаяпрочностьневысока.Дляα-латунейбв=300МПа,δ=40%.α+β-латуни
имеютболеевысокуюпрочность,номеньшуюпластичностьбв=350МПа,δ=20%.

80
Бронзыоловянные,алюминиевыеидр.Модулированныеструктуры.
Бронзамипринятоназыватьсплавынаосновесистемымедь-олово,вкоторыхцинкиникель
неявляютсяосновнымилегирующимикомпонентами.ДиаграммаCu-Snпредставляетсобой
комбинациюнесколькихперетектическихдиаграмм.Влияниеолованамеханическиесвойства
медианалогичновлияниюцинка,нопроявляетсяболеерезко.Ужепри5%Snпластичность
начинаетпадать.Рис.71.
Рис.71.МеханическиесвойствасплавовCu-Zn.
Бронзасодержащаяболее5...6%олованепрокатываетсяинекуется,ееприменяютвлитом
виде.Бронзаобладаетвысокимилитейнымисвойствами:малаяусадка-всего1%,благодаря
чемубронзыприменяютдляхудожественноголитья.Бронзанедаетконцентрированной
усадочнойраковины,внейвеликарассеяннаяпористость,поэтомудляотливоквысокой
плотностионанегодится.Влитойбронзеналичиевключенийтвердогоэвтектоида
обеспечиваетвысокуюстойкостьпротивистерания,поэтомубронзас10%оловаявляется
лучшимподшипниковымматериалом.Высокаяхимическаястойкостьбронзявляетсяглавным
критериемиз-закоторогоониприменяютсякакматериалыпаровойитопливнойаппаратуры.
Главноеприменениебронз-сложныеотливки,вкладышиподшипников.Дляудешевления
бронзвнихдобавляютцинк5...10%.Оннеоказываетвлияниянасвойства.Обрабатываемость
резаниемувеличиваютдобавкой3-5%свинца.Фосфорвводятвбронзукакраскислитель,он
устраняетхрупкиевключенияокисиолова,еслифосфораболее1%ееназываютфосфорной.
Легированныебронзыпревосходятпростуюоловянистуювотношениях:
-помеханическимсвойствам-алюминиеваяикремнистая,
-похимическойстойкости-алюминиевая,
-пожидкотекучести-кремнецинковая,
-поантифрикционнымсвойствам-свинцовистая,
-потвердостииупругостибериллевая.Пристарениибериллевойбронзычастицы
выделяющейсяфазыCuBeрасполагаютсявматрице-пересыщенном-твердомрастворене
беспорядочно,арегулярно,образуютакназываемуюмодулированнуюиликвазипериодическую
структуру.Приобразованиитакойструктурычастицывыделяющейсяфазыформируют
объемноцентрированнуютетрагональнуюмакрорешетку.Образованиетакихрегулярных

81
структурпроисходитвомногихсплавахисталях,испытывающихстарение,эвтектоидный
распад,упорядочение.Причинойтакогопроцессаявляетсявзаимодействиеполейупругих
деформаций,создаваемыхвматриценастадиивыделениячастицвторойфазы.
Магнийимагниевыесплавы.
Средипромышленныхметалловмагнийобладаетнаименьшейплотностью1.74г/см^3,что
определилоегоглавноеприменениевавиации.Магниймалойпрочностьюипластичностью,
неустойчивпротивкоррозии.Широкоераспространениеимеютсплавымагниясалюминием,
цинкомимарганцем,растворяющимсявнем.ТОсплавовмагниянеприводитк
существенномуизменениюсвойств,поэтомучастоограничиваютсяоднойзакалкой,при
которойзасчетгомогенизацииирастворенияпограничныхвыделенийзаметноповышаются
пластическиесвойства.Сплавымагнияподразделяютсянадеформируемые(МА)илитейные
(МЛ).Табл.
Механическиесвойствадеформируемыхсплавов.
Сплав
Состояние
бв,Мпа
б0.2,МПА
δ,%
МА1
Отожженное
210
120
8
МА2
Отожженное
280
180
10
МА5
Отожженное
320
220
14
МА10Закалка+старение
430
300
6
МЛ2
БезТО
120
35
4
МЛ3
БезТО
180
55
8
МЛ4
БезТО
180
95
5
МЛ4
Закалка+старение
250
120
4
МЛ5
БезТО
160
110
1.5
МЛ5
Закалка+старение
260
150
2
МЛ10Закалка+старение
220
125
5
МЛ12Закалка+старение
270
180
6
Бериллий.
Основноеприменениебериллия-атомнаятехника,однакоблагодарямалойплотности1.8
г/см^3,высокимимодулюупругостиипрочности,размернойстабильностиистойкостивряде
средоннаходитприменениекакавиационныйматериал.Бериллийвесьмадорог,однакоего
применениесокращаетмассумашинвомногораз.Изделияизбериллияизготавливают
методамипорошковойметаллургиигорячейпластическойдеформациейпослеформованияи
спеканияпорошка.Механическиесвойствабериллияпримернотаковы:бв=250МПа,δ=1%.
Текстуравдольнаправлениядеформациисоздаетпрочность(бв)700МПа,апластичность(δ)
10%.Наличиемелкогозернатакжерезкоповышаетмеханическиесвойства.ОбычнаяТО
бериллияотжиги:дляснятиявнутреннихнапряжений600С,ирекристаллизационный800С.
ДлябериллиянеобычайновысокоезначениеТрекр/Тпл=0,6.Крометогобериллийобладает
полиморфнымпревращениемпри1250С,нопереохладитьвысокотемпературную
модификациюнеудаетсянилегированием,нибыстрымохлаждением.Наличиекислородав
бериллииулучшаетегосвойства(длядругихметалловкислород-вреднаяпримесь).Втоже
время,достаточноиметь0.001%Si,какбериллийстановитсясовершеннохрупким.Среди

82
сплавовбериллиянаходитраспространениесплавВе+4...5%Cu.Медьустраняетвыраженную
анизотропию.
Титаниегосплавы.
Титанобладаетнизкойплотностью,высокимипрочностьюикоррозионнойстойкостью.
Охрупчиваетсяводородом,чувствителенксодержаниюпримесей,из-закоторыхрезкотеряет
пластическиесвойства.Преимущественноеприменениетитанполучилвавиа-и
ракетостроении,морскомсудостроении.Техническийтитантехнологичныйметалл.Изнего
изготавливаютразличныеполуфабрикаты.Онхорошодеформируетсяисваривается.бв=600...
700МПа.МаркиВТ1-0,ВТ1-00.Обладаетполиморфнымпревращением.α⇔β.Призакалке
титановыхсплавовобразуетсямартенситнаяструктураигольчатогостроения.Легирующие
элементыAl,O,N,Cвтитановомсплаверасширяютα-область(α-стабилизаторы),аV,Cr,
Fe,Ni,Cu,Zr,Nb,Mo,Sn-β-область(β-стабилизаторы).Титановыесплавыразделяютнаα,
β,α+βсплавы.α-сплавысравнительномалопластичныинеохрупчиваютсяприТО.β-сплавы
наиболеепластичны,нонаименеепрочны,неиспытываютполиморфныхпревращений,α+β
сплавы-болеепрочные,чемоднофазные,хорошодеформируются,обрабатываютсяТО
(закалкаистарение,азотирование)ислабоохрупчиваются.Механическиесвойства
промышленныхтитановыхсплавовприведенывтаблице.
Механическиесвойствапромышленныхтитановыхсплавовисодержание
легирующихэлементоввних.
Таблица.
МаркаТип
сплавабв,Мпаб0.2,Мпаδ,%ψ,%ан,
кДж/м2Al,
%Mo,
%Mn,
%V,
%
ВТ4α780-880675-78015-2220-30-
4.5-6-0.8-2-
0Т4α675-835540-63515-4025-55350-6503.5-5-0.8-2
ВТ6α+β880-980780-8808-1330-45400-8005.5-7-
-5.5-7
ВТ8α+β1030-1150930-10759-1530-55300-6006-7.32.8-4-0.3%
Cr
Антифрикционныематериалы.Строение,свойстваиприменение.
Антифрикционныминазываютсяматериалыснизкимкоэффициентомтрения.Основными
антифрикционнымиматериаламиявляютсясерыечугуны,бронзы,баббиты,материалына
основеполимеровиметаллическихпорошковствердымисмазками.Основноетребованиек
структуреантифрикционныхматериаловееспецифическая"
неоднородность"-мягкая
структура,вкоторуювкрапленытвердыеимягкиевключения.Мягкиесоставляющие
вырабатываютсяисмазываютвал,твердые-егоудерживают.
Вконструкцияхспаройтрения-скольжениемприменениеимеютбаббиты-
антифрикционныесплавыоловаисвинцасмедьюисурьмойснизкимкоэффициентомтрения.
СуществуютбаббитыоловянныеисвинцовыеГОСТ1320-74икальциевыеГОСТ1209-78.
Оловянныебаббитысодержаткромеолова,8-10%сурьмыи3...6%меди.МаркиБ88,Б83,
Б83С(1%Pb).Цифрысодержаниеоловав%.Оловянныебаббитыиспользуютдля
изготовленияподшипников,работающихпреимущественновтяжелыхусловияхиприбольших
окружныхскоростях.СвинцовистыебаббитысодержатдополнительноSb,Sn,Cu,аотдельные
марки-Ni,K,Al.Б16,БН,БС6,БКА,БК2.
Внастоящеевремявмашиностроенииширокоераспространениеполучаютпорошковые
спеченныеантифрикционныематериалынаосновемеднойистальныхматриц.Вкомпозиции
вводятразличныедобавки-фтористыйкальций,графит,турбостратныйнитридбора,

83
обладающиесмазывающимиипротивозадирнымисвойствами.Сформированнаяспеканием
пористаяструктурапозволяетвпоровыхканалахудерживатьмаслаижидкиесмазки.Всеэто
делаетихнаиболееэффективнымиматериаламидлязаменыдорогихбронзовыхибаббитовых
металлическихантифрикционныхсплавов.Срединеметаллическихматериаловдля
изготовлениядеталейпартренияприменяютгетинакситекстолит.Структураихвключает
твердыенитиилипленкиармирующейфазы,например,стеклянныхволокон,которые
позволяютработатьтекстолитамвпаретрениясосталью.

84
Лекция№21
Порошковыеметаллическиематериалы.Порошковыестали.Антифрикционные
материалы.Фрикционныематериалы.Пористыематериалы.
Порошковыеметаллическиематериалы.
Порошковымиметаллическимиматериаламиназываютспеченныематериалы,изготовленные
методомприготовленияпорошковойшихты,формованияиспекания.Рождениедисперсного
метода,гдевпервыебылопримененопрессованиепорошка,историческисвязываютсработойрусского
ученогоП.Г.Соболевского,опубликованнойв"Горномжурнале"1827года,названнойимобочищениии
обработкесыройплатины".Соболевскийпредложилтехнологиюпереработкисамородно
платиныпутемрастворенияеевсмесисолянойиазотнойкислоты,осажденияхлорплатината
аммония,прокаливанияосадкадляполученияплатиновогопорошкаипоследующиепрессованиеи
спекание.Намонетномдворепоэтойтехнологиибылоизготовленономиналовнасумму4млн.рублей
(1826-1844)годы.
Порошковыеметаллическиеобъединяютвсебятвердыесплавы,дисперсноупрочненные
композиты,анти-ифрикционныематериалы,порошковыестали,спеченныецветныеметаллы,
пористыеметаллическиематериалы.
Порошковыестали.
Спеченныедеталиизготавливаютсяизсмесейпорошковжелезаслегирующимипорошкамии
порошковуглеродистыхилегированныхсталей.Сталипорошковыеиизделияизнихполучают
холоднымпрессованиемиспеканием,двойнымпрессованиемиспеканием,горячим
прессованием,горячейштамповкой.ТОпроводитсятольковзащитныхсредах.Охлаждение
рекомендуетсяпроводитьвмаслеиливодедляисключенияокисления.Дляповышения
коррозионнойстойкостиповерхностипроводятоперациивороненияифосфотации,
парогазооксидирования.Углеродистаяпорошковаястальобщемашиностроительного
примененияпослезакалкиинизкогоотпускаслужитзаменителемсталеймарок40,50,55ппи
т.п.длядеталейстанковимашинработающихприумеренномнагружениибезнагрузоксмятия.
Углеродистаяпорошковаялегированнаямедьюстальобщемашиностроительногоприменения
используетсякакзаменительсталеймарок40,50,55пп,65,65Г,15X,40Г2,30Г2всостоянии
поставкиипосленормализацииисталейобыкновенногокачествадляэкономииметалла
переводимоговстружку.Впорошковойсталилегированноймедьюдо3%приконтролируемом
охлаждениивагрегатахспеканиядостигаютструктуры,способнойвыделятьЕ-фазупри
старении.Примечание:приохлаждениисплавовжелеза,содержащихмедь,идуттри
инвариантныереакции:перетектическиепри1484и1094Сиэвтектоиднаяпри850С.
ПродуктамипоследнейявляютсяЕ-фаза(Г.Ц.К.Cuснебольшимколичествомрастворенногов
нейFe)иa-Fe(феррит)смалымколичествомраствореннойвнейCu.Максимальная
растворимостьCuвa-Fe2,1%(ат.)при850С;падениерастворимостиCuсуменьшением
температурыдаетвозможностьиспользоватьвдальнейшемупрочнениезасчетвыделения
частицвторойфазыистарения.ДлясистемыFe-Cu-Cхарактернаобширнаяобласть
несмешиваемостивжидкомсостоянии,связаннаясдобавкамиксистемеFe-Cuмалых
количествграфита.Cuвлияетнастабильныеиметастабильныедвойныеэвтектики.
Углеродистаяпорошковаялегированнаяхромомимолибденомстальиспользуетсязаменитель
сталеймарок40,50,55пп,65,65Г,15X,40Г2,30Г2,20X,20XHP,20H2M.Впорошковойсталис
CrиMoприконтролируемомохлаждениивагрегатахспеканиядостигаютструктуры
легированногоферритасравномернораспределеннойкарбиднойфазой.Структурносвободный
графитневыявляется.Всталиснижаетсяпорогхладноломкостииувеличивается
прокаливаемость,коррозионнаястойкость.Легированныехромомимолибденомсталимало
чувствительныкперегреву.Впорошковойсталисникелемдо3%приконтролируемом

85
охлаждениивагрегатахспеканиядостигаютструктурылегированногоферрита.Никельв
сталиснижаетпорогхладноломкостииувеличиваетпрокаливаемость,пластичностьи
коррозионнуюстойкость.Системажелезо-никельхарактеризуетсянеограниченной
растворимостью.Например,маркаСПН3-4применяетсяпослезакалкиинизкогоотпуска,как
заменительсталеймарок40,50,55пп,40Г2,15Xит.п.длядеталейстанковимашин
работающихприсреднемнагружениибезнагрузоксмятия.Восновномспеченныематериалы
применимы,какдеталинебольшихсеченийслинейнойосьюсимметрии:втулки,шестерни,
кольца,сухари;применениедляваловиосейнеобнаружено.Вслучаепропиткипормаслом
можетбытьиспользованавузлахтруднодоступнойсмазки.Наибольшиегабаритыформуемых
деталеймассовогопроизводстванеболее120мм.Коэффициентиспользованияметаллапри
применениитехнологиипорошковойметаллургиинеменее95%.Порошковыесталитакже
бываютмартенситостареющие,коррозионностойкиеимагнитные.
Механическиесвойствапорошковыхсталей.
Таблица.
Марка
бв,МПАδ,%ψ,%
ан,
неменее
кДж/м2
Е,Гпа
неменееНВ,МПа
СП30-3
200
12
25
500
150800-900
СП90-3
300
6
20
300
1601000-1200
СП30Д3-3
280
6
20
400
150900-1000
СП90Д3-3
420
4
15
300
1501000-1200
СП60Н3-3
300
8
15
800
1501300-1500
СП50ХМ2-3580
8
15
500
1601700-2000
СП60ХН3М-4720
10
25
450
2001900-2100
СПН11М5ТЮ2200
8
30
-
-
-
СПХ18Н15478-53522-43
-
20-29
-
-
Цифрачерездефисвмаркеобозначаетподгруппуплотностипорошковойстали:3-
пористотость9-2%;плотность7200-7700кг/м3.
Характернымструктурнымэлементомпорошковыхсталей(материалов)являетсяпора.
Увеличениепористостиприводитксниженияплотности,прочности,отчастиснижаетударную
вязкость.Детальноеисследованиесвойствспеченныхматериаловпоказывает,чтомногие
характеристикинеимеютмонотонногохарактеравсвоемизмененииотпористости.Например,
известнонемонотонноеизменениетрещиностойкостииударной
Рис.72.Зависимостьпрочностиитрещиностойкостиотпористостиспеченногожелеза.1-
пределпрочности,2-пределупругости.

86
вязкостипорошковогожелезаотпористости.Немонотонностьизмененияхарактеристик,
связанныхсособенностямираспространениятрещины,рассматриваетсявсвязисморфологией
пор,поведениемсмазок,соотношениемвнутри-межзеренногоразрушения.Приодинаковой
долемежзеренногоразрушенияхарактерналинейнаязависимостьмеждутрещиностойкостьюи
пористостьюматериала.Рис.72.
Антифрикционныематериалы.
Антифрикционныеспеченныематериалыиспользуютсядляизготовлениядеталейузловтрения
(подшипниковскольжения,распорныхвтулок,колец.торцевыхуплотнений,шайб,
подпятников,поршневыхколецидр.)Введениевсоставспеченныхантифрикционных
материаловвеществ,играющихрольтвердойсмазки,присадок,повышающихпрочностные
свойстваматериала,атакженаличиепор,которыепослеоперацииспеканияпропитываются
смазочнымижидкостями,увеличиваетсрокслужбыдеталейв2...10раз.Вкачествеприсадок
применяютграфит,сульфиды.фториды,фторопласты,иногдаоксиды.Универсальностьметода
порошковойметаллургиипозволяетсоздаватькомпозиционныйматериалсострогозаданными
свойствамидляконкретныхусловийработы.Антифрикционныематериалыпромышленность
изготавливаетнаосновемеди,железаиихсплавов.Табл.
Физико-механическиесвойстванаиболеераспространенныхантифрикционных
порошковыхматериалов.Табл.
Марканаимен
ованиеSn,
%C,
%,
г/см3П,
%бв,
МПа
,%НВ,
МПАРмакс
МПА
Vмак
с,
м/с
Pv,
МПА
*м/с
f
по
стали
БрОГр9-3Бронзо-
графит9-102-35.6-
6.318-
2079-1475-10177-
29445-101.5-6.90.04-
0.07
S,
%C,
%
Сульфидированное
железо
2.71.0
13.5-
-10508.834.5
-0.007
Кромематериаловнаосновемедиижелезадляавиацииикораблестроенияприменяют
спеченныематериалынаосновеалюминияиникеля.
Полуфабрикатыизантифрикционныхматериаловвыпускаютсяввидеготовыхизделий,а
такжедляэкономиицветныхметаллов(медииолова)настальныхкомпактныхподложках-
биметаллическиеполуфабрикаты.
Фрикционныематериалы.
Фрикционныеузлыпринадлежаткнаиболееважнымузламвмашинах,таккаконивпервую
очередьопределяютихнадежность,долговечностьибезопасность.
Спеченныефрикционныематериалыпредназначеныдляработывразличныхпередаточных
узлах-тормозахисцеплениях.Крометого,фрикционныематериалымогутработатьвразных
условияхнагруженияиразныхусловияхсмазки-всухуюиспециальныхмаслах.Спеченные
фрикционныеэлементыизготавливаютметодамипорошковойметаллургииввидесегментов,
плитокидисков.Особенностьюбольшинствафрикционныхматериаловявляетсято,чтоонив
процессеприготовленияматериалананосятсянанесущиекаркасы-подложки.Спеченные
фрикционныематериалывыпускаютпромышленнымметодомнаосновемедиижелеза.В
качествефрикционныхдобавок,вводимыхвметаллическуюпорошковуюматрицу,используют

87
частицыпреимущественноостроугольнойформыизполевогошпата,мулата,кианит,нефелин
(до20..30%объемн.).
Физико-механическиехарактеристикинекоторыхфрикционныхматериаловна
железнойимеднойосновах.
Таблица.
Маркаγ,
г/см3нв,
МПабв,
МПа
λ,
Вт/(мк)f
Износ,
мкм
фрикционный
материал
Контрелло
(чугун
ЧНМХ)
ФМК-8Fe6.0600-90090-10037.70.21-0.22
5-8
1-2
МК-5Cu6.0250-28024
-
0.16-0.32
-
-
Пористыематериалы.
Впористыхматериалах,спеченныхизпорошковиволокон,обеспечиваютсятакиесвойства,
каквысокаятепло-иэлектропроводность,удовлетворительнаяпластичность,высокая
коррозионно-иокалиностойкость,способностьпротивостоятьвысокимдавлениям,высокая
степеньочисткивприемлемыхпределахпроницаемости.Пористыематериалыизпорошков
титана,коррозионностойкихсталей,никеляитугоплавкихметалловприменяютсядля
фильтрациигазов,топливаидругихтехнологическихжидкостей.Пористостьвтаких
материалахдостигает30-70%.Обладаягромаднойвнутреннейповерхностью,пористые
спеченныематериалыявляютсяуникальнымифильтрующимиэлементами,элементами
пористогоохлажденияипламегасителями,вбольшойхимии-наилучшимикатализаторами.
Большинствопористыхспеченныхматериаловизготавливаютпрокаткойметаллических
порошковиливолоконспоследующимспеканиемвзащитныхатмосферах.
Свойствапористыхметалловисплавов.
Таблица.
Материал
П,
%бв,
МПабсж,
МПаδ,
%ψcж,
%
λ,
вт(мК)C,
Дж/(кГК)α,10^3
К^-1
БронзаCu-Sn
(91:9мас.)30-4039-5934-69
4-6
15
20.9
340
18.4
Нержавеющая
сталь
типа18-8
с2%Мо
50-6020-4929-54
5-6
5
6.3
500
18.5
НейзильберCu-
Zn-Ni
(65:23:12,мас)30-4020-3916-53
2-4
15
14.7
390
10.6

88
Лекция№22
Классификациянеметаллическихматериалов.Строениемакромолекулинад
молекулярныеструктурыполимерныхтел.Физические(релаксационные)состояния
полимеров.Термопласты.Термоэластопласты.Олигомерыиреактопласты.Каучукии
резиновыематериалы.
Классификациянеметаллическихматериалов.
Неметаллическиематериалыразделяютсянаклассы:пластическиемассы,конструкционную
керамику,стекла,каучукиирезиновыематериалы,композитынаосновепластмассис
органическимармированием.Всвоюочередькаждыйклассимеетсвоюспециальную
классификацию-пластическиемассыделятсянатермопласты,термоэластопласты,олигомеры
иреактопласты,конструкционнаякерамикаклассифицируетсяпреимущественнопосоставу-
наосновеоксидов,карбидов,нитридовит.п..Стекларазделяютпомеханическимсвойствам:
ударопрочное,термостойкое,радиационностойкое,многослойное(триплекс).Каучукиделятна
натуральныеисинтетическиеипоназначению-дляизготовленияшинитехническихизделий.
Строениемакромолекулинадмолекулярныеструктурыполимерных
тел.
ВсоответствиисГОСТ24888-81пластическаямасса(пластмасса)-материал,
представляющийсобойкомпозициюполимераилиолигомерасразличнымиинградиентами,
находящуюсяприформованииизделийввязкотекучемиливысокоэластичномсостоянии,апри
эксплуатации-встеклообразномиликристаллическомсостоянии.
Вполимереимеетсяширокийнабормежатомныхсвязей.Вдольмолекулярнойцепиполимеров
атомысоединеныковалентнымисвязями,такжесвязаныбоковыеатомыводородаиих
заместителисатомамиосновнойполимернойцепи.Приувеличенииполярностизвеньеви
количестванаиболеепрочныхковалентныхсвязеймеждумакромолекуламивполимерной
структуре(уреактопластов)возрастаетпрочностьматериалаиувеличиваетсяегоплотность.
Сопротивлениеразрывуполимеразависитотэнергиимежмолекулярныхвзаимодействийи
количествапоперечныхсвязей(С1...С3).рис.73.
(
а)
(
б)
Рис.73.Схематическоедвижениемакромолекулприсвободномдвижении(а)ив
ориентированномсостоянии(б).
Ориентацияполимерныхцепейприводиткобразованиюпоперечныхсшивок,организации
сетчатыхмногомерныхструктур,чтовцеломповышаетпрочностьпластмассы.

89
Физические(релаксационные)состоянияполимеров.
Вотличииотметаллическихматериаловповедениеполимеровпривнешнихвоздействиях
являетсяфеноменальным.Приповышениитемпературырастянутыемолекулырезины
сжимаютсявклубокинагруженнаяполоскарезинысокращается.Полимерможетобратимо
деформироватьсявсотнипроцентов,ноеслионэксплуатируетсявусловияхбыстро
меняющейсянагрузки,тоэтаспособностькбольшимдеформациямнереализуется,иполимер
ведетсебякакмалопадатливыйматериал.Стеклованиеполимеровнеявляетсяфазовым
переходомпервогорода,т.е.онпринципиальноотличаетсяоткристаллизации,плавленияили
сублимации.Втожевремяпристеклованииполимеровскачкообразноизменяются
теплоемкость,коэффициентсжимаемости(фазовоепревращениевторогорода).При
механическомвоздействиинаполимер,находящийсяпритемпературевышетемпературы
стеклования,онможетпотерятьспособностьтечьиведетсебякакупругоетело.
Кристаллическаяструктураполимеровимеетрядморфологическихособенностей:это
кристаллысвыпрямленнымицепями,вкоторыхмолекулыупакованыкаккарандашив
коробке,гибкиемакромолекулыукладываются"гармошкой"вупорядоченныеформы-ламели,
характернытакжекристаллическиеобразованияокруглойформы-сферолиты.Полимеры
поликристалличны;кристаллическиеобластиимеютразличныеразмеры;онинеимеют
направленияпредпочтительнойориентации(вотсутствиивнешнеговоздействия).Полимерные
кристаллыобладаютполиморфизмом.Монокристаллыполимеровмогутбытьполученытолько
кристаллизациейизрастворовиливходеихсинтеза.
Полимерыприпереходеизвысокоэластичногосостоянияввязкотекучеенадолгосохраняют
своюструктуру.Структурнаяпамятьполимерадействуетипридостаточновысоких
температурахдо100С,превышающихТт.
Главныйнедостатокполимеровиххимическаяитермическаядеструкция(разрушение
химическихсвязейитепловойраспад-диссоциация),котораяпротекаетнетолькона
поверхности,каккоррозияметаллов,ноивнутримассы.Физическоестарениеполимеров
обусловленодействиемостаточныхмеханическихнапряжений,кристаллизацией,
улетучиваниемрастворителейилипластификаторов.
Термопласты.Термоэластопласты.Олигомерыиреактопласты.
Полимер-вещество,характеризующиесямногократнымповторениемодногоилиболее
составныхзвеньев,соединенныхмеждусобойвколичестве,достаточномдляпроявления
комплексасвойств,котороеостаетсяпрактическинеизменнымпридобавленииилиудалении
несколькихсоставныхзвеньев.
Олигомер-вещество,молекулыкоторогосодержатсоставныезвенья,соединенные
повторяющимсяобразомдругсдругом,комплекссвойствкоторогоизменяетсяпридобавлении
илиудаленииодногоилинесколькихсоставныхзвеньев.
Косновнымгруппаминградиентовотносятнаполнители,пластификаторы,стабилизаторы,
красители,сшивающиеагенты,структурообразователи,смазки,антипрены,антистатики,
антимикробныеагенты,антифрикционныедобавки,отвердители,ускорителиотверждения.
Поструктуремакромолекулполимерыбываютлинейными,разветленнымиисшитыми
(сетчатыми,трехмерными).Полимерывзависимостиотихстроенияивнешнихусловиймогут
находитсявдвухфазовыхсостояниях:аморфномикристаллическом.
Аморфныеполимерывзависимостиоттемпературымогутнаходитсявстеклообразном,
высокоэластичномиливязкотекучемсостояниях.Приуменьшениитемпературыполимер
проходитэтисостояниявобратномпорядке.
Взависимостиотповеденияпринагреванииполимерыусловноподразделяютсяна
термопластичные(термопласты)итермореактивные(реактопласты).

90
Термопластичныеполимеры(линейныеиразветленные)принагреваниивышетемпературы
стеклованияразмягчаются,приобретаютвысокуюпластичность,априохлаждениионивновь
отвердевают,могутрастворятсявсоответствующихрастворителях.
Термореактивныеполимерывзависимостиотчислапоперечныхсшивоквсетчатых
структурахпринагреваниинеспособныкразмягчениюилиразмягчаютсянезначительно,нов
вязкотекучеесостояниенепереходят,врастворителяхстойкиилинезначительнонабухают.
Термоэластопластыблизкипосвойствамкобычнымрезинам,новотличииотних
перерабатываютсявысокопроизводительнымиметодамипереработкипластмасс.
Пластическиемассывисходномсостояниипредставляютсобойпорошки,гранулы,листыи
пленки,пригодныедляформованияизнихизделий.Важнейшимиизпластическихмасс
являютсяфенопласты(общегоназначенияиударопрочныеГОСТ5689-79),полиамидыПА-
12-20,ПА-12-11-1ОСТ6-05-425-76,полиолефиныПЭНДК-КН(ТУ6-05-05-29-77),
материалынаосновеакрилатов-дакрил-2М(ТУ6-01-707-72).Перечисленныепластические
массыприменяютсядляизготовленияхозяйственнойутвари,деталейавтомобилей,кораблей,
какпокрытия-пленкинаметаллическихматериалах,деревеит.п..
Достоинствомпластмассявляетсяихнизкаяплотность,коррозионнаястойкость,высокая
ударнаявязкостьиудельнаяпрочность,электроизолирующиесвойства(ПА-12-20γ=1,1г/см^3,
бв=45МПа,ан=10кДж/м^2,δ=70%).
Каучукиирезиновыематериалы.
Резиновыеизделияотвечаютразнообразнымтребованиямвотношениитеплостойкости,
морозостойкости,химическойстойкости,твердости,эластичностииупругости.Исходным
материаломдлярезинслужатнатуральный(НК)исинтетическийкаучук.Натуральныйкаучук
-полимеризопрена(С5Н8).Изопентовыегруппыполиизопренасвязанывдлинную
молекулярнуюцепь,иэтопозволяетотнестиегокклассулинейныхкарбоцепныхполимеров.
Полиизопрениегоаналоги,атакжеполибутадиениполихлоропренотносятсякклассу
эластомеров.Эластомераминазываютполимеры,обладающиевширокомтемпературном
интервалевысокойэластичностью-способностьюподвергатьсязначительным(до1000%)
обратимымдеформациямпримодулеотсотыхдолейдонесколькихкГнасм^2.Общим
признакомэластомеровявляетсямакромолекулярноестроение,атакжеспособностьк
вулканизации.Переходпластичногокаучукавэластичнуюрезинуназываетсявулканизацией,
котораяпредставляетсобойпроцесс"
поперечногосшивания"линейныхмакромолекулв
редкосетчатуюструктуру.Вкачествеагентовприменяюсеру,тиурам,диазосоединения.
Свойстварезинопределяютсяразновидностьюиспользованныхкаучуков:изопреновый,
бутадиеновый,бутадиенстирольный,этиленпропиленовый,бутилкаучук.Резинынаибольшее
применениенашливпроизводствеавтомобильныхшинГОСТ4754-80,шиноремонтных
материаловГОСТ2631-79,производстверезинотехническихизделий-товарныеили
невулканизированныесмеси,предназначенныедлятеплогоформованияизделий,поставляют
поТУ38-1051082-86.
ВТУ38-1051082-86взависимостиотназначениярезиныделятсянагруппы:I-работоспособна
от-10до+100С,всредеперегретойводыработоспособныдо+170СрезиныгруппыVтипа51-
1481иИПР-1375наосновеэтиленпропиленовогокаучука,всегодвенадцатьгрупп,включая
морозостойкую,электроизоляционнуюиизносостойкуюрезины.Условнаяпрочностьрезин
составляет4...15МПа,относительноеудлинение550%.

91
Термоэластопласты
Термоэластопластывотличииотрезиннеимеютстадиивулканизации,перерабатываютсяв
изделияобычнымиспособами:экструзия,инжекция,шприцеваниеипрессование.Наоснове
бутадиен-иизопренстирольныхтермоэластопластовизготавливаютсветлыепрорезиненные
тканинасинтетическойоснове,шланги,специальныевидыдеталей.Термоэластопласты
обладаютбольшейв2разастойкостьюкистираниюивысокимсопротивлениемк
расслаиванию,чемрезина.Термоэластопластывотличииотрезинспособныкмногократной
переработке.Помеханическимсвойствамонитакжепревосходятобычныерезины,однако
частичноуступаютимпомасло-икислотостойкости.
Например,бутадиен-стирольныйтермопластДСТ-30имеетусловнуюпрочностьпри
растяжении25МПа,относительноеудлинение830%,абутадиен-α-метилстирольный
термопластобладаетбв=27.5МПа,δ=1063%.
Лекция№23
Неорганическоестекло.Стеклокристаллическиематериалы.Конструкционные
керамическиематериалы.Углеродныеиграфитовыематериалы.Строение,свойстваи
применение.
Неорганическоестекло.
Неорганическоестекло-этохимическисложный,аморфный,макроскопическиизотропный
материал,обладающиймеханическимисвойствамихрупкоготела.Стеклополучаетсяпосле
охлаждениярасплавасмесинеорганическихсоединений.Свойствастеколизотропны,при
нагреваниионинеплавятсяпристрогопостояннойтемпературе,апостепенноразмягчаютсяв
определенномдиапазоне,поструктуреониистинныетвердыерастворы.Наиболее
распространеныстекланаосноведиоксидакремния-силикатныестекла,широко
используютсятакжеалюмо-силикатные,боро-силикатные,стекла,инесодержащиекислород-
халькогенидныестекла.Метастабильностьстеклообразногосостоянияоксидовметаллов
являетсяфеноменом.рис.74.
Рис.74.ДиаграммасостояниятвердоготелапоТамману.
Вполеoeafunпереохлажденнаяжидкостьможетнаходитсявстеклообразномсостоянии.Это
состояниетермодинамическинеустойчиво,нокинетическистабильно.Вспецифических
условияхкристаллизацииполучаютсястеклокристаллическиематериалы-ситаллы.Правее
funинижеfeнаходитсяобластьустойчивогостеклообразногосостояния,котороенаступает
приоченьвысокихдавлениях.Существуетдвепричиныаморфногосостояниянеорганических
стекол:

92
-вобластизатвердеваниярасплавстеклаимееточеньвысокуювязкость,убывающуюс
температуройэкспоненциально;
-ковалентнаясвязьвоксидеобладаетнасыщаемостьюинаправленностью,чтозатрудняет
формированиекристаллическойструктуры.
Пофункциональномуназначениюкомпонентыстеколразделяютсянастеклообразователи,
модификаторыикомпенсаторы.Стеклообразователи-неорганическиеполимеры,имеющие
сетчатуюструктуру,служатдляпереводаосновногооксидаваморфноесостояние.
Модификаторыпридаютстеклунужныесвойства,акомпенсаторыподавляютнегативное
влияниепервых.Например,бромистоесереброделаетстеклофототропным,оксидыжелеза,
свинца,хрома,кобальтапридаютнужныйцвет,оксидванадияизменяетэлектропроводность.
Химическийсоставстеклавыражаютввидесоотношенияразличныхоксидов,например:
xNa2O•yCaO•zSiO2....
Поверхностьстеколимеетмножествотрещин,именнооникатастрофическиснижают
прочностьнаизгибиотрыв.Появлениятрещиннаповерхностистеколсвязаносих
неблагоприятнымитеплофизическимисвойствами-стеклатеплоизоляторы,имеютвысокие
значениякоэффициентовтермическогорасширения.Дляполучениявысокопрочныхстеколих
поверхностьмодифицируют.Обрабатываютразличнымиреактивами:плавиковаякислота,
растворыщелочей,легируястеклолитием,калием,наносятполимерныепленки,проводят
закалкудлясозданиявповерхностистекланапряженийсжатия.
Техническоестеклоприменяетсяввиделистов,специальныхэлектроизолирующихдеталейи
волокон.
Стеклокристаллическиематериалы.
Ситаллы-эточастичнозакристаллизовавшиесястекла(содержатдополнительноLi2O,Al2O3,
SiO2,MgO,CaO),получаемыерегулируемойкристаллизациейприповышенныхтемпературахс
помощьюспециальновводимыхцентровкристаллизации(микрочастицCu,V,Au,Ag,Ptи
Cr2O3,ZrO,ZnO,V2O3,TiO).Поструктуреситаллызанимаютпромежуточноеположениемежду
обычнымистекламиикерамикой.Ситаллы-многокомпонентные,гетерогенные,многофазные
системы.Ситаллыобладаютспецифическимкомплексомфизико-механическихсвойств.
Например,ситалл-"пирокерам"прочнеепрокатанногостекла,высокоуглеродистойстали,
легчеалюминия,апокоэффициентутермическогорасширенияитермостойкостинеотличается
откварца.Пирокерамприменяетсякакматериалподшипниковскольжения,работающихпри
нагрузке800МПапритемпературедо800Сбезсмазки.Ситаллыиспользуютсяиввиде
жаростойкихпокрытий.Изнихделаюттрубыдляхимическойпромышленности.
Конструкционныекерамическиематериалы.
Керамика-этомногокомпонентный,гетерогенныйматериал,получаемыйспеканием
высокодисперсныхминеральныхчастиц(
глин,оксидов,карбидов,нитридовидр.)
Конструкционнуюкерамикуполучаютметодамипорошковойметаллургии.Структура
техническойкерамикииеесвойстваконструируетсяизсоставляющихееэлементов-носителей
свойств.Керамическиеизделиявыпускаютсясзернистойиармированными(волоконная,
слоистая)структурами.Дляполучениявысокопрочнойкерамикииспользуютультратонкие
полидисперсныепорошки(диаметромнескольконм)изSi3N4,ZrO2.Обычныекерамические
изделияприменяютсявкачествеогнеупорныхэлементовметаллургическогооборудованияили
какфутеровкареактивныхдвигателейиплазматронов.Дляполучениягоднойконструкционной
керамикиважнообеспечитьнизкуюплотностьвысокоесопротивлениеизгибу.Дляэтого
применяюттехнологиюгорячегоизостатическогопрессованияпорошков.Такснижение
пористостис25%до5%укерамикиизкарбидакремнияSiСповышаетбис150до900МПа.
Крометого,всоставкерамическойсмесивводятлегкоплавкиеоксиды(MgO),создающие
жидкуюфазуприспекании,смачивающиеповерхностиболеетугоплавкогокомпонента.MgO

93
тажеснижаетхрупкостьразрушениякерамическогоматериаланаосновеZrO.Наибольшую
прочностьпослеГИПимеетнитриднаякерамика(Si3N4)бвдо1030МПа.Извысокоплотной
нитриднойкерамикисориентированнойструктуройизготавливаютлопаткигазотурбинных
компрессоров,поршниицилиндрыдвигателей.Достоинствомконструкционнойкерамики
являетсянебольшаяплотностьдо4г/см.куб..
Углеродныеиграфитовыематериалы.Строение,свойстваи
применение.
Материалынаосновеуглеродазанимаютпромежуточноеместомеждуметалламии
неметалламиипоэтомуприменяютсявтехслучаях,когданеобходимосочетаниеихсвойств.
Углеродистыемашиностроительныематериалыполучаютсявысокотемпературнойобработкой
(графитизации),частичноилиполностьюсоздающейсостояниекристаллическогографитаза
счетукрупнениякристалловприрекристаллизации.Структуратакихматериаловпредставляет
каркасизграфитированныхчастичеккокса,связанныхмеждусобойграфитизированным
коксомсвязующего.Дляполученияанизотропныхслоистыхструктурприменяется
пироуглерод.Вмашиностроенииприменяютсяграфитынатуральныеиискусственные,
электродные,антифрикционные,огнеупорные,химическистойкиеизделияизнегои
углеродныеволокна,тканиистеклоуглерод.Вэлектрическихаппаратахприменяютугольно-
графитовыеэлектрощетки(например,маркиТ-2ГОСТ2332-87).Углеграфитовые
антифрикционныеизделияприменяютсявкачествевкладышейрадиальныхиупорных
подшипников,направляющихвтулок,пластин,поршневыхколец,поршневыхирадиальных
уплотнений.Ониспособныработатьбезсмазки,привысокихинизкихтемпературах,больших
скоростяхивагрессивныхсредах.Приработеметалл-углеграфитизнашиваетсяграфитовая
деталь.Наповерхностиметаллаобразуетсяграфитоваяпленка,анауглеграфитовойдетали-
блестящийслойизориентированныхграфитовыхкристаллов.Именнотакоесочетаниевпаре
трениясоздаетминимальныйизносикоэффициенттрения.
Техническиехарактеристикиуглеграфитовыхантифрикционныхматериалов.Таблица.
МаркаКраткаятехнологическая
характеристикаматериала
бсж,
МПа
γ,
г/см^3Диаметр
заготовки,
мм
Длина
заготовки,
мм
Е,
10^6
Мпа
АО-600
Обожженный,
прессованныйпридавлении
600МПА
600
1.5
162
...
312
150
1.4
АГ-600
Графитированный,
прессованныйпридавлении
600Мпа
5001.65162,215,
235и312
150
1.0
АО-Б83-
600
Обожженный(АО-600),
пропитанныйбаббитом
маркиБ-83
11002.3162,215,
235и312
150
1ю7
Углеродныеволокнаполучаюткарбонизациейполимерныхволоконвнауглераживающейсреде
при2000-2100К.
Углеродныеволокнаимеютфибрилярноестроение.Закрытыепоры-характерныйэлементУВ.
Порыимеютиглоподобнуюформу,ориентированыонивдольосиволокна,ихсредняядлина2-
3*10^3мкм,адиаметр1-2*10^-3мкм.Структурауглеродноговолокнапоказананарис.8.
УВусловноделятсянадвегруппы:высокомодульные(Е=300-700Гпа,бf=2-2.5Гпа)и

94
высокопрочные(Е=200-250Гпа,бf=2.5-3.2Гпа).МеханическиесвойстваУВпоказаныв
таблице.Механическиесвойствауглеродныхволокон.Таблица.
Марка
Плотность,
γ,г/см^3Df,мкм
Е,ГПА
бв,на
базе
100мм,Гпа
Е,пред.
%.
ВМН-3
1.71
7.0
250
1.43
0.6
Кулон
1.90
9.9
400-600
2.0
0.4
ЛУ-4
1.7
-
250
3.0-3.5
1.3
Рис.75.Структурауглеродноговолокна.

95
Лекция№24
Композиционныематериалы(КМ).Волокнистые,слоистыеидисперсноупрочненные
композиты.Материалыматрицы,видыимеханическиесвойстваволокон.
Совместимостьматрицыиволокон.Механическиесвойствакомпозиционных
материалов.РасчетыпрочностиКМ.
Композиционныематериалы(КМ).
Композиционныематериалыиликомпозиты(Composite,англ.сложныйсоставленныйизчего
либо)являютсяискусственносозданныечеловекомматричныематериалы,состоящиеиздвух
илиболеекомпонентов,одинизкоторыхявляетсяматрицей,другойарматурой,гетерофазные
построению,однородныевмакромасштабе,обладающиеаддитивнымкомплексомфизико
механическихсвойств,обусловленнымсохранениеминдивидуальностикаждогообразующего
композиткомпонента.
Порошковыематериалыэтопреимущественнометаллическиематериалы,получаемые
методамиприготовленияпорошка,формообразованияипоследующегоспеканиясцелью
приданиятребуемыхфизикомеханическихсвойств.
Существуюттакжекомбинированныеконструкции.Здесьармирующиеэлементывсоставе
изделиянеоднороднывмакромасштабе.Примеромявляютсяавтомобильныешины
снабженныеспециальнымкордом.РазработкаизделийизКМиПМсвязананетолькос
формообразованиемитепловойобработкой,ноисформированиемегоструктурыифизико
механическиххарактеристик,выполняемымнастадиипроектированияКМ.Созданиедеталей
изКМнаглядныйпримервоплощениятриединстваматериала,конструкцииитехнологии,
посколькувпроцессахпроектированияиизготовленияпредусматриваетсяиобеспечение
основныхсвойствматериалаизделия.
Компонентамикомпозитовявляютсяспециальныеполуфабрикатылисты,порошки,гранулы,
фольги,волокна,жгуты,сетки,ткани.Вкачествематрицобычноиспользуютпервыетри,
остальныеприменяюткакармирующиюфазу.Волокнасредимногихупрочняющих
компонентовобладаютуникальнымисвойствами.НаибольшейпрочностьюобладаютНК
нитевидныекристаллы.Ониимеютминимумдефектов,втомчислеикристаллического
строения.Волокнаимеютгеометрическиеразмеры,приближающиесяатомнымисубатомным
категориям,благодарягромаднымлапласовымдавлениямвозникаютградиентынапряжений
анигилирующиеметастабильныедислокацииивакансии,поэтомуволокнаявляются
бездефектнымиполиикристаллическимителами,обладаютвысокимипрочностными
свойствами.Например,прочностьволокондиаметром10мкмизстали12Х18Н9Тсоставляет
2200МПа,апрочностьтермообработаннойотливкинепревышает1200МПа.Такие
особенностиматериаловиспользуютприармировании.Свойствакомпонентоввкомпозитах
здесьскладываютсяаддитивно.Общийслучайпрочностныххарактеристикиллюстрирует
формула:
бв(км)=бв(волокон)*Vf(доляволокон)+бв(матрицы)*(1-Vf)
Аналогичноскладываютсясвойстваплотность,твердость.Порошковыеикомпозиционные
материалыимеютмногообщего,наибольшеесходствопризнаковнаблюдаетсявстадиях
технологическогопроцессаизготовленияматериалов.СтадиямиизготовленияКМиПМ
являются:производствоисходныхкомпонентов;приготовлениесмесейпозаданной
рецептуре;формованиеизделий;тепловаяобработкаформовокдляприданиятребуемых
физикомеханическихсвойств.

96
Длякомпозиционныхматериаловнаосновепластмассипорошковыхбеспористыхматериалов
свойственнообъединениевовременидвухпоследнихстадий.
Производствоисходныхкомпонентоввключатвсебятехнологииполученияволокон,
порошков,фольг,сетокитканей.Приготовлениесмесейосуществляютметодами
механического,физикохимическогоирядадругихспособовдляполученияоднороднойпо
свойствамисоставусмеси.ФормованиеосуществляютмембраннымиметодамидляПКМ,
методамипрессования,прокатки,экструзии,игорячихспособовдляметаллических
порошковыхикомпозиционныхматериалов,ат.ж.методаминамоткинепрерывныхволокон,
напылениянаволокнаматричногоматериалаирядомдругих.
Волокнистые,слоистыеидисперсноупрочненныекомпозиты.
Композиционныематериалыразличаютпотипуармированияинаправлениямармирующей
фазы.Существуютхаотичноармированные,однонаправленные,трансармированые,
ортогональноармированныеит.п.Вобщемслучаекомпозитыобладаютилинеобладают
анизотропиейсвойств.рис.76.
Рис.76.Структурыкомпозиционныхматериалов.1хаотичныечастицы,2хаотичныеволокна,
3непрерывныеоднонаправленныеволокна,4сетки(ткани)[транстропныеКМ],5дискретные
волокна,6фольги[транстропныеКМ,7ортогональныенепрерывныеволокна,8двумерные
волокна[транстропныеКМ.
КромеволоконныхКМ,применяютсяпсевдосплавы,материалыполученныенаправленной
кристаллизациейэвтектическихсплавов.
МатериаловедениепоструктурномупризнакуивидуматрицклассифицируетКМна
следующиеосновныеклассы:
-матричныеметаллическиекомпозиционныематериалы(МКМ),гдеупрочняющейфазой
являютсядискретныемельчайшиеравномернораспределенныевматрицечастицы
(металлическиепорошковыекомпозиционныематериалы),
-композитынаполимернойоснове,гдематрицейслужатразнообразныепластическиемассы,а
армирующейфазой,сетки,волокна,системынитейилижгутовизстекла,углеродныхволокон,
-эвтектическиекомпозиционныематериалысплавыбыстройиилинаправленной
кристаллизации,
-псевдосплавыитвердыесплавы,
-материалыПКМ,получаемыемембраннымиметодами,
-материалыКМ(Углерод-УглеродныеКМ),получаемыеметодамикарбонизациии
пиролитическихпроцессов.

97
Материалыматрицы,видыимеханическиесвойстваволокон.
КомпонентамиКМявляютсянепрерывныеидискретныеволокна,полуфабрикаты,получаемые
переработкойволоконнити,жгуты,войлоки,препрягиит.п.
Волокнаизметалловисплавовизготавливаютизпроволоки.Волокнаизстеклаиорганических
соединенийформуютметодамиэкструзии,вытяженияизрасплава.нитевидныекристаллы
выращиваютметодамипарогазовогоосаждения.Основнымсвойствомармирующихэлементов
являетсяанизотропияфизикомеханическихсвойств,вызваннаяусловияполучениятонкихпо
геометрииматериалов.Анизотропиейсвойствобладаютисетчатые,тканевыематериалы.Здесь
существуетанизитропиясвойств,вызваннаярасположениемсистемнитейиливолокон,
сказываетсятакжевлияниеотпримененияпрепряговилент.Наибольшейудельной
прочностьюобладаюткерамическиеволокна,анаименьшейматериалыкомпактыизстеклаи
стали.
Материалыдляполученияволоконвыбираютизследующихтеоретическихрассуждений.
ТеоретическаяпрочностьматериаловбмвозрастаетсувеличениеммодуляупругостиЕи
поверхностнойэнергииG(б)веществаипадаетсувеличениемрасстояниямеждусоседними
атомнымиплоскостямиа0.
бм=(G*Е/а0)^0.5
(10)
Расчетнымпутемполученряд:
Ве,В,С,N,O,Al,Si
Механическиесвойстваволоконпоказанывтаблице.
Физикомеханическиесвойстваволоконизстали,керамикиистеклаифизико
механическиехарактеристикистандартныхвидовполуфабрикатовполученныена
макрообразцах.
Материал
бв,Мпа
G,Г/см^3
буд,[бв/G]
Al2O3волокно
4140
3.96
1.05
Al2O3компакт
450
3.96
0.11
СВстекл.волокно
2580
2.58
0.62
Стекло
300
2.58
0.12
09Х18Н13М2волокно
3400
7.8
0.44
09Х18Н13М2компакт
1200
7.8
0.15
УглеродноеволокноУВ
2500
1.7
1.47
Порошокопределяюткаксовокупностьнаходящихсявсоприкосновениииндивидуальных
твердыхтел(илиихагрегатов)снебольшимиразмерамивтрехизмерениях(от0.001мкмдо
1000мкм
одногомиллиметра).Порошкиимеютразнообразнуюформу,своеобразное
внутреннееиповерхностноестроениеопределяемоетехнологиейихполучения.Порошкииз
пластмасс,например,фторопластполучаютвходесинтезаорганическогосоединения.
Порошкикерамикииметалловполучаютмеханическимпутем(размол,истираниеи
распылениерасплавов),физико
химическимиметодами(
диссоциациикарбонилов,
восстановлениеоксидовит.п.)имногиедругие.Формачастицметаллическогопорошка
обусловленатехнологическимспособомегоизготовления.Осколочнаяформачастиц
возникаетвходеразмола,губчатаяформапослеконденсации,сферическаяпослераспыления
газомилиструейводырасплавовит.п..Впрактикепорошковойметаллургиии
композиционныхматериаловпорошкиприменяютдляполученияматрициликакармирующий

98
элемент,например,впроизводстведисперсноупрочненныхматериалов(ДКМ).Крометого,
порошкивыполняютрольспециальныхнаполнителей,обладающихсмазывающими
антифрикционнымисвойствамиграфит,турбостратныйнитридбора,илинаоборот,высокими
твердымиабразивнымисвойствами,какфазаметаллокерамическихинструментов.Наибольшее
распространениеполучилипорошкиметаллов.Онинашлиосновноеприменениев
производстведеталеймашинметодомПМ.
ДиапазонразмеровчастицвПМдовольновеликинасчитываетшестьпорядков.Менее0.001
мкматомныекатегории,частицысразмеромболее1ммназываютсягранулами.
Исходяизпрактическихсоображенийпринятыследующиеградациидисперсности:
-0.001мкмдо0.1мкмультрадисперсныепорошки,
-0.1мкмдо10мкмтонкодисперсныепорошки,
-10до200мкмсреднедисперсныепорошки,
-200до1000мкмгрубодисперсныепорошки.
Дисперсныетелаширокораспространенывприродесыпучиеиколлоидныемассы.
Существеннымотличиемдисперсныхсистемоткомпактныхтелявляетсяналичиеизбыточной
поверхностнойэнергии,связаннойсбольшойобщейповерхностьюпорошков.
Избыточнаяповерхностнаяэнегриявлияетнафазовые,рекристаллизационныепревращения,
теплоемкость,температуруплавленияидругиесвойствамалыхчастиц.Этовлияниезаметно
начинаетпроявлятьсяпридиаметречастицоколо0.01мкм.
Лапласовысилы,квадратичнорастущиеприуменьшениигеометрическихразмеровволокна
илипорошинки,определяютпроцессыизмененияпериодарешеткиматериалачастицпорошка,
являютсядвижущимисиламипроцессаспекания,рекристаллизации,коагуляциии
сфероидизациипор,определяютнарядусмеханическимсцеплениемчастицпрочность
порошковыхформовок,процессыдиспергированиятвердыхтелирасплавов.
Совместимостьматрицыиволокон.
НаучныеосновыпроектированияКМсоставляетпринципкомбинирования.Всвоюочередьон
основаннасовокупностидвухпринципов:сочетанияифизико-химическойимеханической
совместимости.
Принципсочетанияподразумеваетсложениефизическихсвойствкомпонентоваддитивным
образом.Второйпринципдаетграницывозможностисочетаниякомпонентовиподразумевает
сохранениевсехотличительныхпризнаковКМприегоизготовлениииэксплуатации.
ОсновнымиматематическимивыражениямипринципакомбинированиякомпонентоввКМ
являются:-зависимостиструктурныхсоотношенийкомпонентов.Например,аналитические
выражениядляКМ,имеющихпоры,отражающиесвязьмеждукажущимисяиистинными
долямиволокониматрицы,атакжевыражения,интерпретирующиедиаграммысостояния
компонентовизаконыдиффузии;-
зависимостиконцентрационныхсоотношений
компонентов.Например,выражение,устанавливающиесвязьмеждупрочностнымии
упругимихарактеристикамиоднонаправленногоКМчерездолюволокнавслучаепоперечного
растяженияматериала;
бyв'р=бmв'р/Кyб,где
Кyб=[1Vf*(1Еm/Еf)]/[1(4*/П)^0,5Еm/Еf],
где'ротносящийсякнапряжениюрастяжением;Vfдоляволокон;EmиEfмодулиЮнга
матрицыиволокна,соответственно;бвm'рпрочностьнеармированногоматериала
матрицыприрастяжении;
-зависимостифизикомеханическихсоотношенийматериаловкомпонентов.Например,
правилоподбораматериалаволокнакизвестномуматериалуматрицы:
буд.матр.<буд.вол.,гдебуд.матр.ибуд.вол.удельнаяпрочностьматрицыиволокна,
соответственно;

99
-зависимости,отражающиетехнологическиепроцессысозданиякомпозитовиоказывающие
влияниенаихпроектирование.
ВыборкомпонентовКМограничен:рабочимтемпературныминтерваломэксплуатации
изделия;термодинамическойитермокинетическойсовместимостьюкомпонентов,типом
межкомпонентнойсвязи.(ограничениепогетерофазностииналичиекакминимума
механическойсвязиимаксимумакакпроявлениясилсмачиванияилислабойрастворимости
компонентов
взаданномтемпературноминтервалеэксплуатациииизготовленияКМ
позволяетвыбратьхимическийсоставарматуры,конкретизироватьданныеотемпературе
ипродолжительностиоперацийсвязанныхснагревомилигорячейобработкойдавлением).
Внастоящеевремяпринятоматрицыизпластмассармироватьстеклянными,органическимии
углероднымиволокнами.Матрицыизметалловисплавовкерамическимии,углероднымии
металлическимиволокнами.
Механическиесвойствакомпозиционныхматериалов.Расчеты
прочностиКМ.
МеханическиесвойстваКМзависятотконцентрацииармирующейфазы,видаарматурыи
технологическихспособовизготовленияКМ.ОсобенностьюКМявляетсято,чтовначале
проводятсярасчетывыбраннойструктурысиспользованиемсистемуравненийнаоснове
законаГукавтехническойилиматричнойформе,затемразрабатываетсятехнологияего
получения.Наиболеесложнойзадачейявляетсяопределениеконцетрацииигеометрических
параметровармирующейфазы,концепциярешениякоторыхзависитоттипаструктурыКМ.
рис.77.
(
а)
(
б)
Рис.77.ЗависимостьпрочностинепрерывноармированногоКМотобъемнойдоливолокон.(а)-
КМспластичнойматрицей,1-множественноеразрушение,2-единичноеразрушение,(б)-КМ
схрупкойматрицейипластичнымиволокнами,1-единичноеразрушение,2-множественное
разрушение.(единичное-разрушаетсяматрица,множественное-волокна).
Каквидноизрис.77.дляКМспластичнойматрицейповышениепрочностипривведении
волоконначинаетпроисходитьтолькосопределеннойкритическойконцентрации.Поэтомув
композитахнаполимернойосновеобласть1риспринятоназывать-наполнителем,т.е.не
изменяющиммеханическихсвойств.Достижениетакойдоливолоконсоответствует
перераспределениюосновныхмеханическихнагрузокнаарматуру.
Вообщеподкритическойдолейарматурыпринятопониматьобъемнуюдоляволокон,при
которойудельнаяпрочностьКМравнаудельнойпрочностинеармированнойматрицы.
ДляКМсхаотичнымидискретнымиволокнаминеобходимотакжерассчитыватькритическую
длинуволокна.Критическаядлинаволокнаэтодлинаволокнаприкоторойначинается
упрочнениепривведенииарматурывматрицу.Онарассчитываетсяпоформуле:

100
Lкр=Df*(бвf/2*Tгр.),
где:Lкркритическаядлинахаотичногодискретноговолокна;Dfдиаметрволокна;бвf
прочностьприрастяженииволокна;Tгрпрочностьграницы"волокно-матрица".
ВнастоящиевремясозданыспециальныесправочныерасчетыповсемвидамструктурКМ:
фольгированные,дисперсноупрочненныеит.п.,ониреализованывинформационныхсредствах
САПР.
Поискконцентрационныхсоотношений(рецептуры)КМвозможенподвумвариантам:
-сиспользованиемрасчетапрочностиКМпосвойствамкомпонентов;
-сприменениемрасчетаупругихконстантКМпосвойствамкомпонентов.
ПоискконцентрациисводитсякпроведениюобратныхвычисленийVfпозависимостям,
связывающихаддитивноесвойствокомпозитассвойствамиотдельныхкомпонентовчерезих
доли,концентрацииарматуры.
ПримеромможетбытьуравнениедляопределенияпрочностиКМ,армированного
хаотичнымидискретнымиволокнами,илиуравнениедлярасчетамодуляЮнга:
бв'р=(Тгр*Lкр/Df)*Vf+бвm*(1-Vf)
Е=Em*(1+Vf*n*Lкр/Df)*(1-n*Vf),где
n=(Еf/Em-1)/(Ef/Em+L/Df)
-EmиEfмодулиЮнгаматрицыиволокна,соответственно.
Изформулвыражаютконцентрациюволокон(решаютобратнуюзадачу),подставляют
численныезначения,темсамымопределяютрецептуруКМ.

101
Лекция№25
КМнаполимерныхматрицах:стеклопластики,бороволокниты,органоволокниты,
карбоволокниты.КМнаметаллическихматрицах,изкерамики,силикатныхстеколи
углеродныхматериалов.ПерспективыразвитияКМ.
КМнаполимерныхматрицах:стеклопластики,бороволокниты,
органоволокниты,карбоволокниты.
СвойстваконструкционныхПКМопределяютсясвойствамиосновныхкомпонентов-матрицы
иарматуры.Наиболеепрочныекомпозитынаосновефенольныхсмол,эпоксидныхи
полиэфирныхсмол;максимальнохимическистойкиеПКМнаосновеполиэтилена,
полипропилена
ифторопласта.Сочетание
эпоксидных,
полиэфирных
и
меламиноформальдегидныхсмолссинтетическимитканями,волокнамиибумагойдаетлегкие
материалы,устойчивыеквибрационнымиударнымнагрузкам,водостойкиеисохраняющие
герметичностьвусловияхсложногонагружения.ПКМнаосновеэпоксидныхсмол,
армированныхУВ,борнымиволокнамиилиНК,являютсянаиболеевысокомодульными
полимернымикомпозиционнымиматериалами,поудельнойжесткостивнесколькораз
превосходящимиметаллы.Длительноработоспособныпритемпературе576Кстекло-и
асбопластикискремнийорганическимсвязующим;винтервалетемператур573-613К-
полиимидывсочетаниискремнеземным,асбестовымилиуглероднымнаполнителем;в
интервале633-773Кввоздушнойи2273-2773КввакууместойкимиявляютсяУУКМ.
ИспользованиепрофилированныхСВсразличнойформойсеченияповышаетплотность
упаковкиволокониувеличиваетпрочностьижесткостьПКМ,особенновпоперечном
направлении.СвойстваПКМзависятотвидаприменяемыхволокон.Корганическимволокнам
относятволокнанаосновеараматическихполиамидов(арамидов).Высокопрочныеи
высокомодульныеарамидныеволокнаобладаютуникальнымкомплексомсвойств,высокими
прочностьюимодулемупругости,термостабильностью,позволяющейэксплуатироватьихв
широкоминтервалетемператур.Текстильнаяпереработкасоставляет90%исходнойпрочности
нити,чтодаетвозможностьприменятьихвкачестветканныхматериалов.Свойствапоказаныв
таблице.Таблица
Механическиесвойстваорганическихволокон.
марка
плотность,
γ,г/см^3Df,мкм
Е,ГПА
бв,на
базе
100мм,Гпа
Е,пред.
%.
ВНИИВЛОН
1.43
15
110-130
2.1-2.6
3-5
СМВ
1.43
15
125-135
3.8-4.2
3-4
Терлон
1.43
-
130-160
3.3-3.6
2.7-3.5
БорныеволокнаполучаютизнитейWдиаметром12мкм.Послевыскотемпературного
химическогоосажденияполучаютволокноссердцевинойизборидоввольфрама(WB,W2B5и
WB)диаметром15-17мкм,окруженныйслоемполикристаллическогобора.Волокнабора,
покрытыетонкимслоемкарбидакремниядляповышенияжаростойкостиизащитыот
воздействияматрицы,называютсяборсиком.Волокнаборанаходятширокоеприменениев
композитахсполимернойиалюминиевымиматрицами.КомпозитыAl-SiC/БВимеют
преимущество,т.к.могутперерабатыватьсятрадиционнымиметаллургическимиспособамии

102
работатьдо640К.БВобладаютнаибольшейсдвиговойжесткостьюG=180Гпа.Механические
свойстваборныхволоконпоказанывтаблице.
Механическиесвойстваборныхволокон.
марка
плотность,
γ,г/см^3Df,мкм
Е,ГПА
бв,на
базе
100мм,Гпа
Е,пред.
%.
UnitedAircraftCorp.
2.5
203
390
3.47
0.9
Toshiba
2.5
99
393
3.24
0.84
ФРГ
2.5
95
394
3.2
0.75-0.9
Волокнакарбидокремнияприменяютсявметаллокомпозитах,эксплуатируемыхпривысоких
температурах.ПолучаютпарогазоосаждениемнаWиуглероднуюподложки.Последниеслабо
связанымеждуподложкойиSiGиз-зачегоимеютпониженнуюмеханическуюпрочностьи
повышеннуючувствительностькповерхностнымдефектам.СвойстваволоконSiC/W
приведенывтаблице.
МеханическиесвойстваволоконкарбидакремниянаподложкеW.Таблица.
Марка
Плотность,γг/см^3Df,мкмЕ,ГПАбв,набазе100мм,ГПаЕпред.,
%.
СНГ,SiC/W
3.3
400-500170
2-4
0.3-0.5
ДляконкретныхусловийэксплуатациипрактическиимеетсянеограниченныйвыборПКМ,
отличающийсясоставомисвойствами.Табл.
МеханическиесвойстванекоторыхПКМ.
Таблица.
Матрица
Арматура
γ,
г/см.куб.бв,
МПаби,
МПаδ,%ан,
кДж/м.кв.
полиэтилен
10%аэросила0.8-1.0124-30...10
50
полипропилен
20-40%СВ1.05-1.2445-5050-602-430
полистирол
20-30%СВ
1.2-1.365-10570-1401.117-25
СмолаПН1
СтеклотканьТ-13...280-430200-250...250-318
СмолаПН3
СтеклотканьТ13
...400-420420-4402-3260-280
Полиимид(прессматериал
ПМ-69-Г)
...
1.43-1.4770-90130-170...20-40
СтеклотекстолитСТП-1
...
1.65-1.703754801.6
...
СтеклотекстолитСТП-3
...
1.63-1.723553601.5
...
СмолаAVGO5055
50%БВ
1.9
207020701
КМнаметаллическихматрицах,изкерамики,силикатныхстеколи
углеродныхматериалов.ПерспективыразвитияКМ.
Металлическиекомпозиты(МКМ)какконструкционныйматериалбылразработандля
созданияавиационнойикосмическойтехники.ВМКМприменяетсяармированиесетками
трикотажногоплетенияизлегированныхсталейиУВ,крометогоприменяюткороткие

103
волокна,образующиедискретнуюхаотичноармированнуюсреду.Такоеармированиесоздает
условияразрушения,препятствующиераспространениютрещины(увеличиваетсяеепуть).
Ударнаявязкостьприэтомнепонижается,асохраняетсянауровненеармированнойматрицы.
МКМизготовляютметодамипорошковойметаллургии.СвойстваМКМприведенывтаблице.В
Углерод-Углеродныхкомпозиционныхматериалах,полученныхкарбонизациейполимерной
матрицысармированиемУВ,типплетенияармирующегоэлемента,взаимноерасположение
системнитейвструктуретакжеоказываютвлияниенахарактерразрушения.рис.78.1Д
структураобразованнаплетениемдвухперпендикулярныхнитейволокон,2Д-трех,а3Д-
четырех(
квазиизотропныйматериал).ИсходнымиматрицамиУУКМслужат
фенолформальдегидные,эпоксифенольные,кремнеорганические,полибензимидазольные
полимеры.
Рис.78.Диаграммы"напряжение-деформация"КМсразличнымиструктурами.
1-1Д,2-2Д,3-3Д,4-3Дпри3300Кввакууме.
Свойстватипичныхкомпозитовсметаллическойматрицей.
Элемент
матрицыЭлемент
волокнаОбъемная
доляf,%Е,ГПАб0.2,Мпаб0.2,Мпа
δ,%
Cu
Ta
24
144
180
280
13.8
ЖС6К
W
45
...
500
580
0.8
Cu
Fe
20
150
...
274
40.7
Ti-Al-V
Be
50
195
630
700
...
Al(В95)
B
50
200
1100
...
0.6
Mg
B
19
110
...
312
0.43
Ni
Al2O3
(сапфир)48
...
...
249
...
Ni
УВ
50
300
...
1220
...
Композитыскерамическимиисиликатнымиматрицамиизготавливаюттрадиционными
методамиметаллокерамики.Впроизводствеволокнистойкерамикиприменяютармирование
волокномизнитридабора,корунда,карбидакремния,бора,углеродаидругихвеществ.
Керамикусориентированнойструктуройполучаютспеканиемиохлаждениемзаготовокв
сильномпостоянноммагнитномполе,послеостываниямагнитнаяориентациясохраняется.
Подобнуюструктурукерамикиприменяютвпьезоэлементах,здесьостываниепроисходитв
электрическомполе.Можновызватьвкерамикенаправленнуюкристаллизациювмежфазной
области.Известно,например,чтовнекоторыхкерамическихматериалахвмежфазнойобласти
образуютсяэвтектики,которыеприохлаждениидаютпластичныематериалы.Врезультате
возрастаетудельнаяработаразрушениякерамическогоматериала.Механизмразрушенияэтих
материалованалогиченмеханизмуразрушениясослоистойструктурой.Кчислунаправленно
кристаллизующихсяэвтектикотносятся:ZrO2-MgO,2SiO2-Li2OиZrO2-MgO.