Распределить марки сталей по содержанию углерода

Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются: Ст. 1, Ст. 2, Ст. 3, Ст. 4, Ст. 5, Ст. 6, Ст. 7. Цифры указывают процентное содержание углерода, увеличенное в 10 раз.

Марки углеродистой качественной конструкционной стали обозначаются: 08, 10, 15, 20, 25 . 85, где двузначные цифры указывают процентное содержание углерода, увеличенное в 100 раз.

В тех случаях, когда сталь кипящая, после двухзначных цифр, обозначающих содержание углерода, ставится индекс кп, а если сталь полуспокойная, индекс пс. Марки стали, не имеющие индекса, относятся к спокойной стали. Если в стали повышенное содержание марганца, после цифр ставится буква Г.

Сталь 08 обладает хорошей пластичностью в холодном состоянии и применяется для деталей, изготовляемых методом холодной штамповки. Стали 10, 15, 20 —низкоуглеродистые. Они хорошо куются, свариваются, цементируются и применяются для изготовления мелких деталей (валики, гайки, оси, втулки, трубы и листы под сварку). Стали 45, 50, 55 хорошо закаливаются и применяются для изготовления ответственных деталей.

Инструментальные углеродистые стали обозначаются: У7, У7А, У8, У8А, У9А, У10, У11, УНА, У12, У12А, У13, У13А. Буква У указывает, что сталь инструментальная углеродистая, цифры указывают процентное содержание углерода, увеличенное в 10 раз; буква А указывает высокое качество стали.

Стали высокого качества по химическому составу отличаются от сталей качественных меньшим процентным содержанием вредных примесей (серы и фосфора).

Углеродистая сталь обладает следующими недостатками, ограничивающими ее применение: высоким коэффициентом теплового расширения, низкими электротехническими свойствами, низкой коррозионной стойкостью в агрессивных средах и при высоких температурах, снижением прочности при повышенных температурах, чувствительностью к перегреву (инструментальная сталь), что вызывает коробление и образование трещин при закалке деталей, малой стойкостью мартенсита при отпуске (при t = 225° C резко понижается твердость стали). Поэтому инструмент может работать при небольших скоростях резания.

Сталь – продукт черной металлургии, главный конструкционный материал. Из него производят строительную арматуру, металлопрокат различного профиля, трубы, детали, механизмы и инструменты.

Производство стали

Черная металлургия занимается производством чугуна и стали. Чугун – твердый, но не прочный материал. Сталь – прочный, надежный, пластичный, склонный к легированию металл, используемый в литейном производстве, прокатке, ковке и штамповке.

Существует несколько способов выплавки стали:

1. Конверторный. Оборудование: кислородный конвертор. Шихта (исходные материалы): белый чугун, стальной металлолом, известняк. Производятся только углеродистые стали.
2. Мартеновский. Оборудование: мартеновская печь. Шихта: жидкий чугун, стальной металлолом, железная руда. Универсален как для углеродистых, так и для легированных сталей.
3. Электродуговой. Оборудование: электродуговая печь. Шихта: стальной металлолом, чугун, кокс, известняк. Универсальный метод.
4. Индукционный. Оборудование: индукционная печь. Шихта: стальной и чугунный металлолом, ферросплавы.

Суть процесса производства стали – уменьшение количества негативных химических включений с целью получения металла, который в народе называют «железом», а точнее – железоуглеродистого сплава с содержанием углерода в нем не больше 2,14%.

Процессы раскисления

Для стали на завершающем этапе выплавки характерен процесс кипения, на который влияют присущие в ней азот, водород, окиси углерода. Такой сплав в затвердевшем состоянии имеет пористую структуру, которая убирается прокаткой. Он мягкий и пластичный, однако недостаточно прочный.

Процесс раскисления заключается в деактивации кипящих примесей путем ввода в сплав ферромарганца, ферросилиция, алюминия. В зависимости от количества остаточных газов и раскислительных элементов, сталь может быть полуспокойная или спокойная.

Готовую сталь требуемой степени раскисления разливают в изложницы для кристаллизации и использования на последующих технологических этапах изготовления готовой стальной продукции.

Классификация углеродистой стали

Всю сталь, существующую на мировом рынке, можно разделить на углеродистую и легированную. Все марки углеродистой стали разделяются по разным группам классификатора и особенностям обозначения.

Исходя из основных классификационных признаков, выделяют:

1. Углеродистые конструкционные стали. В них карбона меньше 0,8%. Они используются для изготовления арматуры, прокатной продукции и литья.
2. Углеродистые инструментальные стали, которые содрежат карбон в количестве от 0,7% до 1,3%. Их используют для инструментов, оборудования приборов.

По способам раскисления:

• кипящие — раскислительных элементов (РЭ) в составе меньше 0,05%;
• полуспокойные — 0,05%≤РЭ≤0,15%;
• спокойные — 0,15%≤РЭ≤0,3%.

По химическому составу:

• малоуглеродистые (0,3%≤С);
• среднеуглеродистые (0,3≤С≤0,65%);
• высокоуглеродистые (0,65≤С≤1,3%).

Стали, содержащие углерод в количестве выше 1,3%, не используются в промышленности.

В зависимости от микроструктуры:

• доэвтектоидные — в такой стали углерода в составе меньше 0,8%;
• эвтектоидные — это стали с содержанием углерода 0,8%;
• заэвтектоидные — стали с содержанием углерода свыше 0,8%.

1. Обычного качества. Серы здесь содержится меньше 0,06%, фосфора – не больше 0,07%.
2. Качественные стали. Они не содержат серы и фосфора больше 0,04%.
3. Высококачественные. Количество серы тут не превышает 0,025%, а фосфора – не больше 0,018%.

По основному стандарту марки углеродистой стали распределяют на:

• конструкционные обычного качества;
• конструкционные качественные;
• инструментальные качественные;
• инструментальные высококачественные.

Особенности маркировки конструкционной стали обыкновенного качества

Стали обыкновенного качества содержат: С – до 0,6%, S – до 0,06%, P – до 0,07%. Давайте рассмотрим, как маркируется эта углеродистая сталь. ГОСТ 380 определяет следующие нюансы обозначения:

• А, Б, В – группа; А – не обозначается в марках;
• 0–6 после букв «Ст» – порядковый номер, в котором зашифрован химический состав и (или) механический свойства;
• Г – наличие Мангана Mn (марганца);
• кп, пс, сп – степень раскисления (кипящая, полуспокойная, спокойная).

Цифры от 1 до 6 после обозначения степени раскисления через тире — это категории. При этом первая категория не обозначается никак.

Буквы же М, К в начале марки могут означать металлургический способ производства: мартеновский или кислородно-конверторный. Между прочим, углеродистые стали обыкновенного качества представлены количественным составом марок, примерно в 47 штук.

Классификация конструкционных сталей обыкновенного качества

Углеродистые стали обыкновенного качества разделяются на группы.

• Группа А: стали, которые должны точно соответствовать заданным механическим свойствам. Потребителю они поставляются чаще всего в виде листового и многопрофильного проката (листы, тавры, двутавры, арматура, заклепки и корпуса). Марки: Ст0, Ст1 – Ст6 (кп, пс, сп), категории 1-3, в том числе Ст3Гпс, Ст5Гпс.
• Группа Б: стали, которые должны быть регламентированы необходимым химическим составом и свойствами. Изготавливается литье и прокат, который будет подвергаться дополнительной механической обработке давлением в горячем состоянии (ковка, штамповка). Марки: БСт0, БСт1 (кп-сп), БСт2 (кп, пс), БСт3 (кп-сп, в том числе БСт3Гпс), БСт4 (кп, пс), БСт 6 (пс, сп), категории 1 и 2.
• Группа В: стали, которые должны соответствовать нужным химическим, физическим, механическим и технологическим свойствам. Этой группе присуще разнообразие марок, из которых изготавливается пластичный листовой прокат, прочная арматура для работы в зонах значительных температурных перепадов, ответственные детали (болты, гайки, оси, пальцы поршней). Всю продукцию различного состава, свойств и марок этой группы объединяет хорошая технологическая свариваемость. Марки: ВСт1-ВСт6 (кп, пс, сп), ВСт5 (пс, сп), в том числе ВСт3Гпс, категории 1-6.

Конструкционные стали обыкновенного качества – сплавы, имеющие широкое разноплановое использование в промышленности.

Маркировка углеродистой качественной стали

Содержание углерода в стали названного качества от 0,05% до 0,6%. Выплавка металла этой классификационной группы происходит мартеновским или электродуговым способами. Широкий диапазон углеродного присутствия разнообразит механические свойства: низкоуглеродистые – пластичные, среднеуглеродистые – прочные.

Углеродистые качественные стали имеют в составе S и P не более 0,04%, соответственно.

Маркировка (ГОСТ 1050-88):

• цифры 05-60 – зашифрованное наличие углерода (минимальное – 0,05%, максимальное – 0,6%);
• кп, пс, сп – степень раскисления («сп» не обозначается);
• Г, Ю,Ф – содержат марганец, алюминий, ванадий.

Исключения в маркировке

Углеродистые качественные стали в своей маркировке имеют исключения:

• 15К, 20К, 22К – качественные стали, применимы в котлостроении;
• 20-ПВ – углерода – 0,2%, сталь применима в изготовлении труб методом горячей прокатки, в котлостроении и монтаже отопительных систем, содержит медь и хром;
• ОсВ – сталь для изготовления вагонных осей, содержит никель, хром, медь.

Для всех марок качественных сталей характерна возможная необходимость использования термической (к примеру, нормализация) и химико-термической обработки (к примеру, цементация).

Классификация углеродистых качественных сталей

Этот вид углеродистых сталей можно условно разделить на 4 группы:

1. Высокопластичный материал, применимый для холодной механической обработки (прокатки), листовой и трубный прокат. Марки — сталь 08пс, сталь 08, сталь 08кп.
2. Металл, используемый в горячей прокатке и штамповке, который будет работать в термически агрессивных условиях. Марки — от сталь 10 до сталь 25.
3. Сталь, нашедшая применение в изготовлении ответственных деталей, в том числе пружин, рессор, муфт, болтов, валов. Марки — от сталь 60 до сталь 85.
4. Стали, требующие надежной эксплуатации в агрессивных условиях (к примеру, цепь гусеничного трактора). Марки сталь 30, сталь 50, сталь 30Г, сталь 50Г.

Также возможно разделить на 2 группы все известные марки углеродистой стали из класса качественных: конструкционные обычные и конструкционные марганецсодержащие.

Применение углеродистой конструкционной стали

Класс стали по качеству	Марка	Применение
обычного качества	Ст0	арматура, обшивка
Ст1	тавры, двутавры, швеллеры
Ст3Гсп	строительный прокат
Ст5сп	втулки, гайки, болты
Ст6пс	строительные ломы
ВСт4кп	фасонный, листовой, сортовой прокат для прочных конструкций
качественная	Сталь10	трубы для котлов, штамповки
Сталь15	детали высокой пластичности, кулачки, болты, гайки
Сталь18кп	сварные конструкции
Сталь 20пс	оси, вилки, пальцы, штуцера, патрубки
Сталь50	зубчатые колеса, муфты сцепления
Сталь60	шпиндели, шайбы, пружинные кольца

Углеродистые инструментальные стали отличаются высокой прочностью и ударной вязкостью. Они обязательно подлежат многоступенчатой термообработке.

Содержание углерода в стали: 0,7 – 1,3%. Для качественной – до 0,03%, фосфора – до 0,035%. А для инструментальной высококачественной: серы – до 0,02%, фосфора – до 0,03%.

Марочное обозначение (ГОСТ 1435-74):

• У – углеродистая инструментальная;
• 7 -13 – содержание углерода в ней 0,7-1,3%, соответственно;
• Г – наличие в составе марганца;
• А – высококачественная.

Исключениями из основных принципов маркирования углеродистых инструментальных сталей – материал для деталей часовых механизмов А75, АСУ10Е, АУ10Е.

Требования к углеродистым инструментальным сталям

В соответствии с ГОСТом, инструментальные стали должны соответствовать ряду характеристик.

Необходимые физико-химические и механические свойства: качественные показатели твердости, ударной вязкости, прочности, стойкости к температурным изменениям во время эксплуатации (во время резки, сверления, ударных нагрузок), устойчивость к коррозии.

Заданные технологические свойства:

• стойкость к негативным процессам технологии резания (налипание стружки, наклеп);
• хорошая обрабатываемость точением и шлифованием;
• податливость к термообработке;
• стойкость к перегреву.

Для повышения качественных механических и технологических показателей инструментальные стали подвергают многоступенчатой термообработке:

• отжиг исходного материала перед изготовлением инструментов;
• закалка (охлаждение в растворах солей) и последующий отпуск готовых изделий (в основном, низкий отпуск).

Полученные свойства определяются химическим составом и полученной микроструктурой: мартенсит с цементитными и аустенитными включениями.

Использование углеродистых инструментальных сталей

Применяются описываемые стали для изготовления всевозможных инструментов: режущих, ударных, вспомогательных.

• Сталь У7, У7А – молотки, зубила, топоры, стамески, кувалды, долота, рыболовные крючки.
• Сталь У8, У8А, У8Г – пилы, отвертки, кернеры, зенковки, фрезы, плоскогубцы.
• Сталь У9, У9А – слесарный инструмент, инструмент для резки по дереву.
• Сталь У10, сталь У10А, У11, У11А – рашпили, метчики, спиральные сверла, вспомогательный инструмент для штамповки и калибровки.
• У 12, У12А – развертки, метчики, измерительные инструменты.
• У13, У13А – напильники, бритвенные и хирургические инструменты, штамповочные пуансоны.

Рациональный выбор марки углеродистой стали, технологии ее термообработки, понимание ее свойств и особенностей – залог длительной службы производимых, обрабатываемых или используемых конструкций или инструментов.

Сталив свою очередь делятся на3 группы: 1)0,025-0,8% — в структуре присутствует Ф+П (доэвтектоидные стали); 2) 0,8% С , структура- чистый П (эвтектоидные стали); 3) 0,8-2,14 %, состоит из П и Ц_{II (}заэвтектоидные стали).

Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14% называют сталями. Помимо углерода в углеродистые стали при выплавке попадают посторонние примеси: обусловленные тезнологическими процессами (Mn, Si), невозможностью их удаления при плавке (P, S), случайными обстоятельствами (Ni, Cu). Если перечисленные элементы входят в больших количествах, чем предусмотренные ГОСТом на углеродистые стали, эти стали считают легирующими.

Влияние постоянных примесей на структуру с свойства стали.

К постоянным относятся Mn, Si, S, P и газы O, N, H. Верхний предел присутсвия S, P ограничивается 0,05%, Mn, Si – 0,08%.

Марганец вводят в сталь для раскисления, т.е. для устранения вредного влияния закиси железа FeO+MnMnO+Fe. При введении марганца происходит восстановление железа из закиси, тем самым несколько увеличиваются характеристики пластичности стали.

Кремний вводится для раскисления 2FeO+Si2Fe+SiO₂.

Фосфор – вредная примесь, попадает в сталь вместе с рудой. Присутствие фосфора повышает порог хладноломкости стали, т.е. повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Его удаляют в процессе выплавки стали путем изменения состава шлаков и флюсов.

Сера – как и фосфор, попадает с рудой. Взаимодействуя с железом образует сульфид (FeS), входящий в состав эвтектики плавящейся при Т=988 о С. наличие легкоплавкой эвтектики приводит к охрупчиванию стали при температурах красного коления (800 о С). Это явление называют красноломкость. Введение в сталь марганца устраняет красноломкость в виду того, что марганец обладает большим сродством к сере, чем железо: FeS+MnMnS+Fe. В результате образуется сульфид марганца, который входит состав эвтектики, плавящейся при Т=1620 о С.

Газы. Основные газы, которые попадают в сталь – O, N, H. O и N образуют оксиды и нитриты, которые охрупчивают сталь. Особенно вредно присутствие в стали H, который приводит к внутренним надрывам в металле с образованием, т.н. флокены. Устранение газов возможно при выплавке стали в электропечах или вакууме.

!Углеродистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные. Буквы «Ст» в марке стали обозначают «сталь», цифры — ус­ловный номер марки (с увеличением номера возрастает в стали содержание углерода. В зависимости от условий и степени раскисления различают стали: 1) спокойные «сп» Ст1сп) 2) полуспокойные «ПС» (Стпc); 3) кипящие «кп» (Сткп). В их составе разное массовое содержание кремния и кислорода: в спокойных 0,15—0,3 % Si и —0,002 % О₂; в полуспокойных 0,05—0,15 % Si и —0,01 % 0₂ и в кипящих — не более 0,05 % Si и

0,02 % О₂. Спокойные стали получают полным раскислением стали ферромарганцем, ферросилициумом, алюминием в печи, а затем в ковше. Они застывают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только ферромарганцем и до затверде­вания в них содержится повышенное количество FeO. При засты­вании в изложнице FeO взаимодействует с углеродом стали, образуя СО, который выделяется в виде пузырьков, создавая впечатление, что металл кипит. Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей. Массовая доля серы должна быть не более 0,05 % , фосфора — не более 0,04 % и азота — не более 0,008 %. Стали отливают в крупные слитки, вследствие чего в них раз-вита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений. С повышением условного номера марки стали возрастает пре дел прочности и текучести и снижается пластичность. Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепаных и болтовых конструкций, реже для изготовления малонагруженных деталей машин (валы, оси, зубчатые колеса и т. д.). Кипящие стали (Ст1кп), содержащие повышен­ное количество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30— 40 °С выше, чем стали спокойные (Ст1сп). Поэтому для ответственных сварных конструкций, а также рабо­тающих при низких климатических температурах применяют спо­койные, стали (Ст1сп, Ст2сп, СтЗсп). С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 с более высоким содержа­нием углерода применяют для элементов строительных конструк­ций, не подвергаемых сварке. Стали, предназначенные для сварных конструкций, должны обладать малой чувствительностью к термическому старению, а стали, подвергаемые холодной правке и гибке, — малой склон­ностью к деформационному старению. Стали обыкновенного качества нередко имеют специализиро­ванное назначение (моего- и судостроение, сельскохозяйственное машиностроение и т. д.) и поступают по особым техническим ус­ловиям. Низкоуглеродистые стали СтЗ, Ст4 и другие обладают малой устойчивостью переохлажденного аустенита ‘ (высокой критической скоростью закалки)» поэтому после закалки мартенсит не образуется. Качественные углеродистые стали. Эти стали (ГОСТ 1050—74) выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу и структуре: содержание S 2,14 % С) называют чугуном. При­сутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или гра­фита, или одновременно в виде цементита и графита. Цементит придает излому специфический светлый блеск. Поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита, называют белым. Графит придает излому чугуна серый цвет, поэтому чугун называют серым. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие чугуны: серый, высокопрочный и ковкий. 1. СЕРЫЙ И БЕЛЫЙ ЧУГУНЫ Серый чугун (технический) представляет собой, по существу, сплавFe—Si—С, содержащий в качестве постоянных примесейMn,PиS. В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Характерная осо­бенность структуры серых чугунов, определяющая многие его свойства, заключается в том, что графит имеет в поле зрения ми­крошлифа форму пластинок. В зависимости от содержания углерода, связанного в цемен­тит, различают: 1. Белый чугун в котором весь углерод нахо­дится в виде цементитаFe3C. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и цементит. 2. Половинчатый чугун, большая часть угле­рода (>0,8 %) находится в видеFe3C. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит . 3. Перлитный серый чугун структура чугуна— перлит и пластинчатый графит. В этом чугуне 0,7—0,8 % С находится в видеFe3C, входящего в состав перлита.; 4. Ферритно-перлитный серый чугун. Структура такого чугуна — перлит, феррит и пластинча­тый графит. В этом чугуне в за­висимости от степени распада эвтектоидного цементита в связан­ном состоянии находится от 0,7 до 0,1 % С 5. Ферритный серый чугун. Структура — феррит и пластинчатый графит. В этом случае весь углерод находится в виде графита. При данном содержании углерода и кремния графитизация протекает тем полнее, чем медленнее охлаждение. В производ­ственных условиях скорость охлаждения удобно характеризовать по толщине стенки отливки. Чем тоньше отливка, тем быстрее охлаждение и в меньшей степени протекает графитизация Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей. Чугун можно рассма­тривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу структуры В этом случае механические свойства будут зависеть от количества величины и характера распределений включений графита Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень изолированности их, тем выше прочность чугуна Чугун с большим количеством прямолинейных крупных графитных вы­делении, разделяющих его металлическую основу, имеет грубо­зернистый излом и низкие механические свойства. Чугун с мелкими и завихренными графитными выделениями обладает более высо­кими свойствами. Пластинки графита уменьшают сопротивление отрыву, времен­ное сопротивление и особенно сильно пластичность чугуна. Отно­сительное удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств металлической основы практически равно нулю (

0,5 %). Графитные включения мало влияют на снижение пре­дела прочности при сжатии и твердость, величина их определяется главным образом структурой металлической основы чугуна. При сжатии чугун претерпевает значительные деформации и раз­рушение имеет характер среза под углом 45°. Разрушающая на­грузка при сжатии в зависимости от качества чугуна и его струк­туры в 3—5 раз больше, чем при растяжении. Поэтому чугун рекомендуется использовать преимущественно для изделий, ра­ботающих на сжатие. 2. ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ Высокопрочными называют чугуны с шаровидным графитом, который образуется в литой структуре в процессе кри­сталлизации. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным кон­центратором напряжений. Для получения шаровидного графита чугун модифицируют, чаше путем обработки жидкого металла магнием (0,03—0,07 %) или введением 8—10 % магниевых лигатур с никелем или ферро­силицием. Под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ) имеют более высокие ме­ханические свойства, не уступающие свойствам литой углероди­стой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обра­батываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость и т. д. Обычный состав чугуна: 3,2—3,6 % С 3. ковкий чугун Ковкий чугун получают длительным нагревом при высоких температурах (отжигом) отливок из белого чугуна. В результате отжига образуется графит хлопьевидной формы. Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность металлической основы струк­туры чугуна. Чугун имеет пониженное содержание углерода и кремния

29. Сверхпластичность металлов и сплавов. Под сверхпластичностью понимают способность металла к незначительной пластической деформации (=102-103%) в определенных условиях при одновременно малом сопротивлении деформированию (10° — 101 МПа). Существуют следующие разновидности сверхпластичности. 1. Структурная, которая проявляется при температурах > 0,5 Тпл в металлах и сплавах с величиной зерна от 0,5 до 10 мкм и небольших скоростях деформации2 (10-5 — 10-1 с-1). 2. Субкритическая (свёрхпластичность превращения), наблю­дающаяся вблизи начала фазовых превращений, например, полиморфных. Наиболее перспективен процесс структурной сверхпластичности. Сверхпластичность не является свойством каких-то особых сплавов и при соответствующей подготовке структуры и в опреде­ленных условиях деформации проявляется у большого числа сплавов, обрабатываемых давлением. Известно много сплавов на основе магния, алюминия, меди, титана и железа, деформирование которых возможно в режимах сверхпластичности. Сверхпластичность может иметь место лишь при условии, когда в процессе деформации (растяжения образца) не образуется локальной деформации. При локализации деформации в образце возникает местное утонение шейки и он сравнительно быстро разрушается. Высокое сопротивление образованию шейки при растяжении образца в условиях сверхпластичности связано с большой чув­ствительностью напряжения течения а к изменению скорости деформации :  = km, где k — коэффициент, зависящий от струк­туры и условий испытания; т — показатель скоростной чувстви­тельности напряжения течения. Для идеально вязких (ньютоновских) твердых тел т = 1 и удлинение не должно сопровождаться образованием шейки. В случае обычной пластической деформации т 0,3 (обычно 0,4—0,7). Когда при сверхпластической деформации начинается образо­вание шейки, в этом участке образца возрастает  и из-за высокого значения т увеличивается сопротивление течению а, благодаря чему образование шейки прекращается. Этот процесс непрерывно повторяется, приводя к образованию так называемой бегущей шейки (размытых шеек), когда она перемещается по длине образца, не давая локализованного сжатия. При такой квазиравномерной деформации достигаются очень большие удлинения при растяже­нии образца. Структурная сверхпластическая деформация протекает глав­ным образом благодаря зернограничному скольжению, хотя в опре­деленной степени существует и внутризеренное дислокационное скольжение. Проблема создания промышленного структурного сверхпла­стичного материала — это прежде всего получение ультрамелкого равноосного зерна и сохранение его при сверхпластической дефор­мации. Стабилизация размеров зерна достигается: 1) применением двухфазных сплавов с объемным соотношением фаз 1:1; в этом случае имеет место максимальное развитие межфазовой поверх­ности, что обеспечивает взаимное торможение роста зерен фаз; 2) использованием дисперсных выделений, являющихся барьером для перемещения границ зерен. В настоящее время для обработки в состоянии сверхпластичности чаще используют цинкоалюминиевый сплав ЦА22 (22 % А1), титановые а α+β-сплавы, двухфазные – α+γ’-сплавы меди и цинка (латунь), алюминиевый сплав, состоящий из α-раствора и дисперсных частиц Al3Zr, и некоторые другие. Явление сверхпластичности в промышленности используют при объемной изотермической штамповке и при пневмоформовке. Сверхпластичность позволяет в процессе штамповки за одну операцию получить детали сложной формы, повысить коэффициент использования металла, уменьшить трудоемкость и стоимость изготовления изделий. Недостатком является необходимость нагрев штампов до температуры обработки и малая скорость деформаций.

30. Механические свойства металлов, определяемые при статических, динамических и циклических испытаниях. Под механическими свойствами понимают характери­стики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (спла­ва) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пла­стичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин). В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала. При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критриев. 1. Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти критерии нахо­дятся путем стандартных испытаний гладких образцов на рас­тяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания). Прочностные и пластические свойства, определяемые при ста­тических испытаниях на гладких образцах хотя и имеют важное значение (они входят в расчетные формулы) во многих случаях не характеризуют прочность этих материалов в реальных усло­виях эксплуатации деталей машин и сооружений. Они могут быть использованы только для ограниченного числа простых по Форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к нормальной. 2. Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях, эксплуатации. Критерии конструктивной прочности металлических материа­лов можно разделить на две группы: а) критерии, определяющие надежность металлических ма­териалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.)- В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические ис­пытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуата­ции (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микро несплошности сильно ме­няют поведение металла под нагрузкой, так как являются кон­центраторами напряжений; б) критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление корро­зии и т. д.).

Критерии оценки прочности конструкции в целом (кон­струкционной прочности), определяемые при стендовых, натур­ных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях вы­является влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина остаточных напряжений, дефектов технологии изготовления и конструирования металло­изделий и т. д. Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.

Если специально приготовленный образец подвергнуть растяжению на машине и записать на диаграммной ленте все изменения, которые будут происходить с ним, то получим кривую, которая называется кривой растяжения.

Впервоначальный момент образец растягивается без деформации, т.е. в упругой области. Это имеет место при напряжениипц. При растяжении большем пц. Пропорциональность степени напряжения и деформации нарушается. пц – получила название предел пропорциональности, который равен: пц=Рпц/Fо, Мпа При деформации металла, в процессе повышения нагрузки, на кривой растяжения может появиться площадка, нагрузка при которой металл деформируется без приложенных дополнительных усилий, называется пределом текучести (физический): т=Рт./F о, МПа

Деформированием сплавов, у которых отсутствует площадка текучести вводят характеристику, называемую условным пре­делом текучести. 02 – это усилие, которое вызывает остаточную деформацию 0,2%; в – предел прочности на растяжение – это максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца. Помимо характеристик прочности из кривой растяжения можно выделить характеристики пластичности:  — относительное удлинение;  — относительное сужение К характеристикам прочности материалов относятся также и твердость. Под твердостью понимается сопротивление материалов проникновению в него посторонних тел (индентора).

Из наиболее распространенных методов измерения твердости металлических материалов можно выделить метод измерения твердости по Бренеллю, по Роксвеллу и по Виккерсу. В случае если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, применяют метод измерения микро-твердости.

Твердость по Бренеллю измеряют на прессе Бренелля. В качестве индентора применяют шарик 5-10 мм. К индентору прилагается нагрузка. После снятия нагрузки в месте вдавливания появляется лунка. С помощью лунки измеряют диаметр лунки и затем по соответствующим таблицам переходят от диаметра к числу твердости. Твердость по Бренеллю обозначается НВ. Этот метод измерения твердости используется для измерения твердости сравнительно мягких металлов.

Измерение твердости по Роксвеллу проводят на приборе – твердометр Роксвелла. В качестве индентора используют шарик или алмазную пирамиду. Нагрузка на индентор 60,100 и 150 кг. В случае приложения 60 и 150 кг индентором служит алмазная пирамида, при 100 кг – шарик. Обозначение твердости по Роксвеллу если индентор 60 кг – HRA, 100 кг – HRB, 150 – HRCэ.

Твердость по Виккерсу определяется на приборе Виккерса. В качестве индентора используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость определяется на специально приготовленных образцах микрошлиф.

После вдавливания и снятия нагрузки с индентора в микрошлифе остается лунка. С помощью линейку, встроенной в окуляр прибора и затем с помощью специальных таблиц переходят от диагонали отпечатки к числу твердости по Виккерсу HV.

Если необходимо измерить твердость отдельных структурных составляющих, используют метод измерения микро-твердости на ПМТ-приборах.

В качестве индентора также используют алмазную пирамидку. Нагрузка на индентор измеряется в граммах. Твердость опре­деляют на микрошлифах. При увеличении в 400 раз на микрошлифах находят ту структурную составляющую, твердость которой необходимо определить. Под действием нагрузки индентор вдавливается в эту структурную составляющую и оставляет в ней отпечаток. После снятия нагрузки проводят измерение диагонали отпечатка и затем по таблицам переходят к числу твердости.

Ударная вязкость является динамической характеристикой. Образец помещается в крепление и с определенной высоты на него падает маятник, работа тратиться на разрушение образца; ударная вязкость обозначается КСU или КС. Обозначение зависит от формы образца, если образец с подрезом (U-образным), то принимается первое обозначение, если без надреза – второе. С надрезом изготавливаются образцы сравнительно вязких материалов, без надреза – хрупких материалов.