Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Август » 4 » Прочность и структура сталей
14:39
Прочность и структура сталей

Прочность и износостойкость любого материала складывается из понятий его твердости, упругости, жесткости, ударной вязкости и эластичности. Под твердостью понимают способность материала противостоять статическим нагрузкам. Жесткость – это способность материала не менять свою форму при приложении к нему достаточно высоких нагрузок. Эластичность это способность материала многократно изменять свою форму, при приложении к нему нагрузок, без накопления внутренних напряжений и дефектов. Ударная вязкость – это способность материала распределять высокие динамические нагрузки по своему объему, без разрушения. Упругость, это мера минимальной статической нагрузки, которую необходимо приложить к материалу для достижения его остаточной деформации. То есть, деформации, которая не исчезнет после снятия нагрузки.

Все прочностные свойства материала зависят от силы, длинны и количества химических связей и физических взаимодействий между атомами и молекулами в составе вещества.

Применительно к сталям, это означает плотность структуры кристаллической решетки, однородность внутренних напряжений в стали и дисперсность зернистости стали. Для пояснения этих показателей приведен рисунок 1.

Рисунок 1.

Здесь приведен микроснимок структуры углеродистой стали, сделанный с увеличением в 1100 раз. На рисунке четко видны границы зерен, наиболее крупные зерна выделяются более светлым оттенком, ввиду характерного блестка. Промежутки между зернами более темные, так как там скопление неметаллических примесей. Направление протяженности зерен может зависеть от направления теплового потока при охлаждении заготовки (или отливки) или направлении пластической деформации изделия. В данном случае мы имеем дело с литой заготовкой, не подвергавшейся значительным пластическим деформациям, на что указывает овальность формы зерен, большие отличия в размерах зерен и расположение протяженных зерен в пространстве под углами близкими к 90о. В данном случае, охлаждение заготовки проходило снизу слева (относительно плоскости, перпендикулярной плоскости снимка, сказать ничего нельзя). На это указывает ориентация более утолщенных концов протяженных зерен. Темные участки с мелким зерном имеют меньшую теплопроводность, поэтому, зерна, при своем росте, их "обруливали”.

При подготовке образца к микроскопии, он подвергается соответствующей обработке.

В начале, отрезают от образца пластинку или брусок требуемых размеров, затем он шлифуется (обработка резанием) и полируется (например, вулканитовым диском). После тонкой полировки (кожей, полимером, войлоком, тканью и др.), поверхность обезжиривают ректифицированным органическим растворителем и протравливают 4% раствором азотной кислоты в этаноле. Воды желательно иметь минимум в этом растворе, так как, вода приводит к повышению растворения металла, а нам требуется удалить только окисную пленку.

После травления пластинку незамедлительно подвергают микроскопии, перед последующим применением желательно повторить тонкую полировку и протравку.

Подобный метод визуальной микроскопии широко используется уже более восьмидесяти лет.

Более совершенный и молодой метод изучения структуры сталей открыт с внедрением в металлургию рентгеновской микроскопии. Суть этого метода аналогична предыдущему, но готовят тонкий срез металла, и подвергают его просвечиванию рентгеновскими лучами или делают снимок по отражению рентгеновского излучения.

На рисунке 2 представлен микроснимок структуры углеродистой стали с увеличением в 8000 раз. Металл сильнее поглощает излучение, поэтому, здесь зерна выглядят более темными, чем промежутки между ними.

Рисунок 2.

Светлые зазоры (2) это микротрещинки (полости) между зернами, чем ниже плотность структуры стали, тем больше вероятность образования трещинок. Также, полости между зернами накапливаются при пластической деформации изделия. Все Вы хоть раз в своей жизни переламывали проволоку или гвоздь, для этого перегибали его в одну сторону, затем в другую. В результате он разламывался. В ходе этого процесса происходит накопление микротрещинок, по границам которых и происходит разлом изделия. Поэтому, место разлома такое неровное, и имеет матовый серый цвет (на границах зерен скопление солевых и окисных включений, они хуже, чем чистый металл отражают свет).

Судя по направлению зерен и размерам промежутков между ними (1), можно предположить, что это изделие получено методом горячей ковки (удары наносились в направлении, перпендикулярном длине зерен, поэтому они вытянулись и расплющились). Три большие трещины (3), сходящиеся около центра снимка, указывают на пластическую кратковременную деформацию (один-два сминающих удара по холодному изделию), определить направление этих деформаций затруднительно. Но, обычно, они приложены под острым углом к направлению плоскости трещины.

Большая разницы между межзерновыми промежутками в левом нижнем углу снимка и верхнем правом углу, указывают на насколько различные направления приложения ударов. Кроме того, можно предположить, что изделие было еще достаточно горячим, и при остывании, зерна, расположенные ближе к низу, "повело” (изменение формы при термическом расширении-сжатии) от охлаждения сильнее. Вероятно, в том направлении была поверхность изделия.

Это далеко не вся информация, которую может поведать профессионалу группа микроснимков шлифов с разных участков изделия.

Существует множество методов уменьшения размеров структурного зерна сталей. Классический метод состоит в горячей ковке стали. При этом измельчается зерно (раскалывается), и происходит, своего рода, горячая кузнечная сварка промежутков между зернами. Это благоприятно сказывается на соотношении твердости и пластичности изделия, так как увеличивается площадь соприкосновения зерен. При закалке и другой термической обработке полученной заготовки происходит распределение вредных примесей по всем промежуткам стали, что снижает влияние этих примесей на свойства стали. Классический пример реализации такой технологии – оружейный булат.

Другой, более современный метод повышения прочностных свойств сталей заключается в снижении концентрации в стали вредных примесей (сера, мышьяк, селен, кремний, кислород и др. неметаллы). Некоторые из этих примесей оказывают в некоторых случаях положительно действие. К примеру, фосфор снижает вязкость расплава стали, что упрощает процесс кислородной конверсии и повышает чистоту поверхности отливок. Кремний снижает петлю Гистерезиса при перемагничивании стали (снижает потери энергии на прохождения через сталь переменного магнитного поля), что очень важно для электротехнических сталей (например, наборные сердечники трансформаторов или статоров электрических машин).

Но, в любом случае, неметаллические примеси в стали снижают ее пластичность и износостойкость. Углерод занимает особое положение среди примесей железа. С одной стороны, он способствует укрупнению зерна и снижению пластичности. С другой стороны, увеличивает твердость и жесткость материала. Поэтому, для изделий, которым важны упругость и умеренная жесткость применяют легирующие добавки, снижающие растворимость углерода в стали и повышающие его структурную агломерацию (образование микросфер в узлах зернистой структуры, и даже внутри кристаллической решетки). Такими добавкам служат: германий, бериллий, молибден и др.

В случае необходимости получения твердого изделия с хорошими прочностными свойствами, применяют добавки, повышающие растворимость углерода в стали (вольфрам, марганец, ванадий).

Универсальными легирующими элементами являются хром, никель и др. добавки, уменьшающие размеры структурного зерна, и способствующие равномерному распределению углерода в кристаллической решетке стали, без ее перехода в цементит.

Подсчитано, что чистое железо, без примесей и (следовательно) внутренних дефектов, имеет почти в 20 раз более высокие прочностные характеристики (особенно на разрыв, срез, изгиб), чем обычная углеродистая сталь, применяемая в машиностроении. Для сравнения, самые высококачественные легированные стали, применяемые в промышленности, имеют прочностные характеристики в 3-4 раза больше, чем обычная "гвоздевая” сталь ст3. Таким образом, пределы возможностей сталей и других металлических сплавов, еще далеко не исчерпаны.

Категория: Металлургия | Просмотров: 2188 | Добавил: Chemadm | Теги: исследование сталей, структура сталей, свойства сталей | Рейтинг: 4.8/34
Всего комментариев: 2
1
1  
Предвидится ли материал о литье стальных деталей в домашних условиях?

0
2  
Тонкости литья мы пока не коснулись, но, некоторые моменты будут включены в последующий материал. Отливка качественных стальных изделий дома достаточно затруднительна. Главную проблему составляет регулирование нагрева. Основные источники энергии для плавления стали: термит, кислородно-топливные горелки, кустарная индукционная печь и пр., являются слишком слабыми и с ними сложно достичь стабильных результатов.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]