1. Атомнокристаллическое строение металлов. Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия. Полиморфизм
 Скачать 1.38 Mb.
|
|
Пластичность – способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. 1) относительное удлинения. (δ) δ=((lk- l0)/l0)*100% = (∆lост/l0)*100% L0и lk– начальная и конечная длина образца, ∆lост– абсолютное удлинение образца. 2) относительное сужение ψ=((F0-Fk)/F0)*100% F0- начальная площадь поперечного сечения; Fk- площадь поперечного сечения в шейке после разрыва. Ударная вязкость — способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки, характеризует возможности материала по быстрому поглощению энергии. Обычно оценивается работой, необходимой для деформации и разрушения призматического образца с односторонним поперечным надрезом при испытании на ударный изгиб, условно отнесѐнной к сечению образца в основании надреза (дж/м 2, нм/м 2, кгс×м/см 2); обозначается символом ан. 24. Прокаливаемость сталей. Влияние несквозной прокаливаемости на механические свойства сталей. Критический диаметр (Dкр). Метод торцовой закалки. Прокаливаемость – способность получать закаленный слой с мартенситной и троосто- мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью, на определенную глубину. (Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке) За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до середины слоя, где в структуре одинаковые объемы мартенсита и троостита. Несквозная прокаливаемость приводит к неоднородности свойств по сечению. В сердцевине механические свойства ниже. В первую очередь сопротивления пластичеким деформациям. Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость. Укрупнение зерен повышает прокаливаемость. Если скорость охлаждения в сердцевине изделия превышает критическую то сталь имеет сквозную прокаливаемость. Нерастворимые частицы и неоднородность аустенита уменьшают прокаливаемость. Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр. Критический диаметр – максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия. С введением в сталь легирующих элементов закаливаемость и прокаливаемость увеличиваются (особенно молибден и бор, кобальт – наоборот). Метод торцевой закалки. Нагретый образец быстро устанавливают в кронштейн и сейчас же, открыв кран, пускают струю воды, которая ударяет в торец образца. После охлаждения образца, продолжающегося 10— 12 мин, закалившийся образец вынимают из кронштейна и сошлифовывают на нем с противоположных сторон две лыки, снимая слой металла толщиной 0,25 мм по диаметру, чтобы получить горизонтальные площадки для измерения твердости вдоль образца. При торцовой закалке образец фактически охлаждается со скоростью, постепенно уменьшающейся по мере удаления от торца. Чем дальше данная точка находится от торца, тем медленнее охлаждается сталь. Расстояние, на которое распространяется закалка по длине образца, является при торцовом методе мерой прокаливаемости. Так как о закалке можно судить по твердости (для конструкционной стали, перечисленных выше марок), то каждая точка вдоль испытываемого образца соответствует по твердости некоторому размеру круглого образца, в центре которого при закалке получается та же твердость. Измеряя твердость на боковой поверхности образца и нанося полученные данные на диаграмму, можно получить диаграмму прокаливаемости. 25. Термическая обработка конструкционных (изделие типа вал, шестерня) и рессорно-пружинных сталей с учетом прокаливаемости. В качестве предварительной термической обработки конструкционных сталей проводят нормализацию, то есть нагрев стали выше линии Ac3 (для измельчения зерна в сплавах в результате полной перекристаллизации) с последующим охлаждением на спокойном воздухе (скорость охлаждения 3 град/с). Рессорно-пружинные стали можно подвергать как отжигу (скорость охлаждения 20-30 град/ч), так и нормализацию. Потом проводят полную закалку - это нагрев сталей до температуры на 30-50 °С выше линии Ас3 (структура - мартенсит), выдержка с последующим быстрым охлаждением со скоростью, препятствующей диффузионному распаду аустенита. При закалке на мартенсит возникают остаточные напряжения (термические и структурные), которые могут с течением времени привести к изменениям размеров и формы готового изделия и даже его разрушению. Поэтому стали после закалки на мартенсит обязательно подвергают отпуску. При отпуске закалѐнной стати ее нагревают до температур, не превышающих AC1. В случае изделий типа вал, штоки, оси, шестерни, лопатки применяется высокий отпуск сталей (улучшение) при 550-650 °С. Это вызывает коагуляцию (укрупнение) частиц цементита и уменьшение плотности распределения их в феррите. Эту структуру называют сорбитом. В результате высокого отпуска снижается сопротивление пластическим деформациям (предел текучести, твѐрдость), и увеличиваются вязкость и пластичность. Закатка с высоким отпуском обеспечивает более высокие предел текучести и вязкость, повышается сопротивление стали зарождению и развитию трещин. Для рессорно-пружинных сталей применяют средний отпуск (350-400°С приводит к полному распаду мартенсита с образованием цементита, представляющего собой субмикроскопические частицы, распределенные с высокой плотностью в феррите. Такую структуру называют троститом. Тростит характеризуется высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. Используется для пружинно- рессорных сталей. Чтобы сталь прокалилась насквозь нужно, чтобы скорость охлаждения была больше или равна критической скорости для данной стали. Если он будет меньше, то деталь прокалится не насквозь, то есть сорбид будет только на поверхности, а в середине будет Ф+П. Тогда проводить закалку не имеет смысла. Нужно выбрать другую сталь, к примеру, легированную – у них более высокие показатели прокаливаемости. 26. Легированные стали. Фазы, образуемые легирующими элементами в сплавах на основе железа. Влияние легирующих элементов на диаграмму изотермического распада аустенита и прокаливаемость. Легированные стали – в которые вводят различные элементы (Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti, Co, Al, B, N, Nb и др) в определенных количествах для изменения ее свойств и структуры. Fe,C-основа; S,P-вредные примеси; Si,Mn,Al- раскислители+легирующие элементы. Mn≈0.8%, Si≈0,5% - сталь не легированной (легир.эл-ты - раскислители). По влиянию на устойчивость аустенита и на форму С-образных кривых легирующие элементы разделяются на две группы. Элементы, которые растворяются в феррите и цементите (кобальт, кремний, алюминий, медь, никель), оказывают только количественное влияние на процессы превращения. Замедляют превращение (большинство элементов), или ускоряют его (кобальт) (рис.17.2 а) Влияние легирующих элементов на превращение переохлажденного аустенита: а – некарбидообразующие элементы; б — карбидообразующие элементы Карбидообразующие элементы (хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан) вносят и качественные изменения в кинетику изотермического превращения. При разных температурах они по разному влияют на скорость распада аустенита Важным является замедление скорости распада. Это способствует более глубокой прокал иваемо сти и переох лажде нию аустен ита до интерв ала мартенситного превращения при более медленном охлаждении (масло, воздух). Увеличивают прокаливаемость хром, никель, молибден, марганец, особенно при совместном легировании В отожженном состоянии легированные стали по механическим свойствам не отличаются от углеродистых. Поэтому, обеспечение необходимой прокаливаемости – первоочередная задача легирования. Почти все легирующие элементы, кроме кобальта, повышает устойчивости переохлажденного аустенита, снижает критическую скорость закалки и увеличивает прокаливаемость. 27. Влияние легирующих элементов на критические точки железа и механические свойства феррита (НВ, KCU). По характеру влияния на критические температуры: 1) элементы (Ni,Mn…) расширяющие область существования γ-твердого раствора. Некоторые могут снизить t(γ->α) до комнатной (точка n). Значит даже при медленном охдаждении сплав будет иметь структуру аустенита. 2) элементы (Cr,Si…) ограничивающие область существования γ-твердого раствора. Если их больше m, то сплав не переходит в аустенит. Л ег ир ую щ ий э ле м ент В хо д в тв р -р с Fe и у пр е го У ве л. У да р. в яз ко ст ь K C U Ра сш о бл A С уж о бл A У ве л пр ок ал ив С по со б ра ск ис ле нию О бр у ст ойч к ар бид П ов с опр к ор ро зии Ni + + + - + - - + Cr + - - + - - + + Mn (бол ее 1%) + + + - + + + + Si (бол ее 0,8% ) + + - + - + - - W - - - - - - + - Сu (0,3 — 0,5% ) + - - - - - - + По характеру влияние на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы: 1) элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы); 2) элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма->альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными. Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность. Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости. Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести 28. Классификация легированных сталей по структуре, маркировка и области их применения. I). По структуре легированные стали делят на пять основных классов. 1. Перлитный класс. Это стали, которые после нагрева в аустенитную область и охлаждения на воздухе имеют структуру механической смеси феррита и цементита (перлит, сорбит, тростит). К перлитному классу относят низколегированные стали с суммарным содержанием легирующих элементов не более 3-5 например, ЗОХНЗА, 60Г, 9ХГС и др. 2. Мартенситный класс. Это стали, которые после нагрева в аустенитную область и охлаждения на воздухе приобретают структуру мартенсита. К мартенситному классу относят среднелегированные стали с суммарным содержанием легирующих элементов 7-14 %, например, 25Х2Н4ВА, 20X13, 30X13.40X13. 3. Аустенитный класс. К этому классу относятся стали, легированные элементами первой группы, которые расширяют область существования γ - твѐрдого раствора, в количествах, превышающих точку n (Ni/Мn > 8-10 %. например. 12Х18Н10Т. 110Г13Х2БРЛ). После охлаждения на воздухе стали этого класса имеют структуру аустенита. 4. Ферритный класс. Это малоуглеродистые стали, легированные элементами второй группы, которые сужают область существования γ- твердого раствора, в количествах, превышающих точку т. Стали этого класса при нагреве не способны переходить в состояние аустенита и сохраняют строение феррита вплоть до температуры плавления. Техническое применение получили две разновидности сталей ферритного класса: высококремнистые, с содержанием Si 3,5- 4,5 % (динамные и трансформаторные стали: 1311, 2011, 241 1, 3414) и высокохромистые с содержанием Сг 13-28 % (коррозионно-стойкие и жаростойкие, например, стали 12X17, 15Х25Т, 15X28, 08X13). 5. Ледебуритный или карбидный класс. Это стали, в структуре которых присутствуют карбиды, выпадающие при первичной кри- сталлизации (непосредственно из жидкой фазы). К данному классу относят стали высоколегированные карбидообразующими элементами Сг, W, Mo, V, при содержании углерода свыше 0,6 % (например, быстрорежущая сталь марки Р6М5, высокохромистая Чє2ЦГ). II). По степени легирования (по содержанию легирующих элементов): низколегированные – 2,5…5 %; среднелегированные – до 10 %; высоколегированные – более 10%. 3. По числу легирующих элементов: трехкомпонентные (железо, углерод, легирующий элемент); четырехкомпонентные (железо, углерод, два легирующих элемента) и так далее. 4. По составу: никелевые, хпомистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и так далее (признак– наличие тех или иных легирующих элементов). 5. По назначению: конструкционные (П,М классов) – как углеродистые, но высокий комплекс механических характеристик, более высокая прокаливаемость. Делятся на цементуемые, улучшаемые. рессорно- пружинные стали; инструментальные (режущие, мерительные, штамповые) – высокая твердость, теплостойкость; стали и сплавы с особыми свойствами (резко выраженные свойства –нержавеющие, жаропрочные и термоустойчивые, износоустойчивые, с особыми магнитными и электрическими свойствами). 29. Конструкционные легированные стали и их термообработка (цементуемые, улучшаемые. рессорно- пружинные стали). Наибольшее число деталей выполняют из легированных конструкционных сталей перлитного класса. В термически обработанном состоянии легированные конструкционные стали обладают более высоким комплексом механических характеристик, чем углеродистые, поэтому их необходимо обязательно подвергать тер- мической обработке - закалке и отпуску. В отличие от углеродистых сталей, которые имеют малую прокаливаемость, легиро- ванные стали имеют более высокую прокаливаемость (прокаливаются насквозь изделия до диаметра 300 мм и более, против 15). Более мягкая закалка (охлаждение, например, в масле) вызывает в изделиях, изготовленных из легированных сталей, меньшие структурные и термические напряжения. Это позволяет закаливать изделия более сложной конфигурации, уменьшает поводку и соответственно припуски на механическую обработку. Конструкционные легированные стали подразделяют на цементуемые и улучшаемые, рессорно-пружинные, строи- тельные стали. К цементуемым относят малоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,20-0,25 %. Если их подвергают цементации, то термическую обработку производят по режимам, принятым для цементуемых изделий. Если же эти стали применяют без цементации, то их подвергают закалке в масле и низкому отпуску (150-200 °С). В результате получают малоуглеродистый, отпущенный мартенсит, обладающий высоким пределом прочности на разрыв и достаточной пластичностью. В ряде случаев (повышенные температуры эксплуатации и др.) Их подвергают закалке в масле и высокому отпуску. В качестве цементуемых сталей применяют такие стали, как 15Х, 20Х, 20Н2М, 18ХГТ, 20ХНР, 12ХНЗА, 18Х2Н4МА и др. К улучшаемым относят среднеуглеродистые стали, содержащие от 0,25 до 0,5 % С. Наиболее распространѐнными из них являются хромистыестые 40Х, 30Х… и марганцовистые (ЗОГ, 40Г, 40Г2 и т. п.), хромоникеливые (40ХН, 50ХН, ЗОХНЗА и др.) хромокремнемарганцовые (25ХГСА, ЗОХГС, ЗОХГСА и пр.), хромоникельмолибденовые (30ХН2МА, 40Х2Н2МА, 38ХНЗМА и т, д.) и более сложные по составу (30ХН2МФА, 38Х2МЮА 30ХГСН2А и др.). Термическая обработка этих сталей состоит из закалки в масле и высокого отпуска (550- 650 °С). Структура сталей после такой обработки (улучшения) - сорбит. Рессорно-пружинные легированные сдали бывают марганцовые (60Г, 70Г и другие), кремнистые (55С2. 60С2, 70СЗА и др.) и более сложного состава (50ХГА, 50ХФА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 60С2Н2А, 70С2ХА и др.). Термическая обработка пружин и рессор, изготовленных из этих сталей, состоит из закалки с охлаждением в масле и среднего отпуска (420-480 °С) на структуру тростит. 30. Дефекты легированных сталей (дендритная ликвация, отпускная хрупкость, флокены). ЛИКВАЦИЯ — неоднородность сплава по химич. составу, структуре и неметаллич. включениям, образ, при кристаллизации слитка, непрерывно- литой заготовки и отливки. Л. возникает в рез-те того, что сплавы, в отличие от чистых металлов, кристаллизуются не при одной темп-ре, а в интервале темп-р. При этом состав кристаллов, образ, в начале затвердевания, может существ, отличаться от состава последних порций кристаллиз. маточного р-ра. Дендритная (внутрикристаллитная) ликвация — ликвация внутри одного дендрита (кристаллита, зерна), определ. интервалом и скоростью кристаллизации; следствие неравномерности кристаллизации в условиях огранич. диффузии. Рисунок: Влияние температуры отпуска на ударную вязкость стали с высокой восприимчивос тью к отпускной хрупкости:1 — быстрое охлаждение в воде или масле; 2 — медленное охлаждение. Недостатком некоторых легированных улучшаемых сталей, особенно содержащих Сr, Мn, повышенный С (более 0,001 %), а также Ni, Si, Аl, является их склонность к отпускной хрупкости. Уменьшение ударной вязкости при отпуске с температуры в районе 300 °С (отпускная хрупкость I рода) присуще почти всем сталям и является необратимым явлением, одной из причин еѐ является неоднородность распада ос- таточного аустенита и мартенсита, но природа этого явления полностью неясна. При отпуске с нагревом до 550-650 °С и медленном охлаждении наблюдают отпускную хрупкость II рода. Отпускную хрупкость II рода объясняют выделе- нием при медленном охлаждении дисперсных частиц карбидов (третичных), нитридов, фосфидов и других химических соединений, которые располагаются в основном по границам зѐрен, а также восходящей диффузией фосфора к границам зѐрен. Это и снижает в отпущенной стали ударную вязкость. При быстром охлаждении изделий при высоком отпуске (в воде или масле) падение ударной вязкости не наблюдают. ФЛОКЕНЫ — внутр. трещины (дефекты) в стальных поковках и прокатной продукции (иногда в слитках и отливках). На шлифов, и протравл. темплетах ф. выявл. в виде тонких волосных трещин, а в изломе закал, образцов предст. овальные кристаллич. серебристо-белые пятна, отличающиеся от осн. пл. излома. Ф. обычно располаг. в ср.части поковки в ликвац. участках, обогащ. С, Р, S, и не имеют определ. ориентировки. Ф. пониж. пла-стичн. и вязк. стали, сокращают срок службы изделий и приводят к неожид. авариям. Наибольшую флокеночувствит- ть имеют углерод, и легир. стали мартенсит, и перлит, классов (конструкц., подшипн., брон., рельс, и т.п.); в сталях аустенит. и ледебурит, классов (нерж., быстрореж.) ф. практич. не встреч. Осн. причина образов, ф. — присут. в стали повыш. кол-ва Н (> 2 ррт), а наиб, вероятный механизм этого процесса — диффузия и адсорбция Н на пов-тях микронесплошн. кристаллич. решетки; при этом происх. молизация Н, его давл. в микронесплошн. вызывает микронапряжения, превыш. прочн. металлич. основы, что приводит к разруш. (разрыву), т.е. образов, ф. Значит, стимулир. роль в образов, зон с повыш. адсорбцией Н играют внутр. растягив. напряж., возник, в стали при структурных превращ., пла-стич. деформации и неравномерном охлажд. Сниж. сопротивл. металла разруш. в местах концентр, напряж. у скоплений дефектов кристаллич. решетки, неметаллич. включений, ликвац. неоднородностей тж. способст. возник- нов. ф. Способы борьбы с ф.: вакуумиров. жидкой стали, при к-ром содерж. Н сниж. до безопасного уровня, а тж. длит, изотермич. (обез-водорож.) отжиг заготовок или изделий при 650-750 "С. Продолж-ть отжига зависит от их сеч. |