Экзаменационные вопросы
по дисциплине «Конструкционные материалы и технологические процессы машиностроительного производства» (3 семестр)
Основные свойства металлов. Полиморфные превращения в металлах.
Металлы - один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:
"металлический блеск" (хорошая отражательная способность);
пластичность;
высокая теплопроводность;
высокая электропроводность.
Полиморфные превращения в металлах.
Металлы и сплавы в зависимости от температуры могут сосуществовать в разных кристаллических формах, или в разных модификациях. При полиморфном превращении одна кристаллическая решетка сменяет другую. Полиморфное превращение происходит в том случае, если при данной температуре может существовать металл с иной кристаллической решеткой и меньшим уровнем свободной энергии.
Основы теории строения сплавов. Понятия: система, компонент, фаза. Твёрдые растворы.
Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами.
Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.
Система – группа тел, выделяемых для наблюдения и изучения.
Компоненты – вещества, образующие систему.
Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.
Твёрдые растворы — фазы переменного состава, в которых атомы различных элементов расположены в общей кристаллической решётке.
Понятие об изотропии и анизотропии. Аллотропия или полиморфные превращения.
В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны.
Зависимость свойств от направления называется анизотропией.
Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.
Аллотропия металлов. Превращения в стали при нагреве.
Аллотропией, или полиморфизмом, называется способность металлов в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение, а, следовательно, и свойства при различных температурах.
При термообработке стали наблюдается четыре основных превращения:
превращения, протекающие в стали при нагреве (превращение перлита в аустенит)
превращения, протекающее в стали при охлаждении, (превращение аустенита в перлит)
превращения, протекающие в стали при закалке (превращение аустенита в мартенсит)
превращение, протекающие в закаленной стали при отпуске (превращение мартенсита в феррито-цементитную смесь)
Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов. Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия
Вещество в твердом состоянии может иметь кристаллическое или аморфное строение. В аморфном веществе, например, стекле, атомы расположены беспорядочно, а в кристаллическом — по геометрически правильной схеме, на определенном расстоянии друг от друга.
В зависимости от типа частиц, образующих кристалл, и от вида химической связи между частицами кристалла различают четыре типа кристаллических решёток: молекулярную, атомную, ионную и металлическую.
Существует зависимость между типом кристаллической решётки вещества и его физическими свойствами.
Анизотропия - это свойство материала, которое позволяет ему изменять или принимать различные свойства в разных направлениях в противоположность изотропии.
Строение металлического слитка. Пластическая деформация. Наклёп и рекристаллизация.
Слиток состоит из трех зон:
мелкокристаллическая корковая зона;
зона столбчатых кристаллов;
внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.
Пластическая деформация – это необратимое изменение формы и размеров тела. Пластическая деформация, в отличие от упругой, сохраняется после снятия внешней нагрузки и является следствием необратимого смещения атомов (точнее, групп атомов).
Наклепом называют процесс повышения прочности и изменения упругих свойств металлических элементов путем пластического деформирования.
Рекристаллиза́ция — процесс образования и роста (или только роста) одних кристаллических зёрен (кристаллитов) поликристалла за счёт других.
Основные закономерности процесса кристаллизации
Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.
При равновесной температуре кристаллизации ТS число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.
Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей т.а, то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста – большая).
При переохлаждении до температуры, соответствующей т.в – мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая).
Если металл очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело. Для металлов, обладающих малой склонностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящие ветви кривых.
Кристаллические решётки металлов. Их основные характеристики. Полиморфизм.
Для металлов характерна металлическая кристаллическая решетка. В ней имеется металлическая связь между атомами. В металлических кристаллах ядра атомов расположены таким образом, чтобы их упаковка была как можно более плотной. Связь в таких кристаллах является делокализованной и распространяется на весь кристалл.
полиморфизм – свойство металлов (сплавов) изменять свою структуру (кристаллическое строение) в твердом состоянии, что вызывает скачкообразное изменение свойств (механических, химических, теплопроводности электропроводности, магнитных, удельного объема и т. д.).
Какие бывают виды изломов? Назвать характерные признаки хрупкого и вязкого изломов.
Изломы бывают кристаллические (зернистые), волокнистые и смешанные, продольные и поперечные.
Вязкий (волокнистый) излом обычно наблюдается после пластической деформации образца с появлением шейки перед разрушением. Волокнистый излом имеет место в отожженных доэвтектоидных сталях, а также в сталях, улучшенных термической обработкой (закалка полная, отпуск высокий).
Хрупким называют излом, образовавшийся в результате разрушения при отсутствии макроскопической деформации, то есть в процессе упругого нагружения. При этом пластичность излома определяют не по средней деформации образца или детали, а по наличию и степени локальной деформации в узком объеме материала, прилегающему к поверхности разрушения.
Какие методы исследования используются для изучения макро-, микро- и тонкой структуры материалов? Назовите операции и их последовательность для приготовления микрошлифа.
Макроструктурный анализ – изучение строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольшом увеличении, с помощью лупы.
Микроструктурный анализ – изучение поверхности при помощи световых и электронных микроскопов. Увеличение – 50…100000 раз.
Для изучения атомно-кристаллического строения твердых тел (тонкое строение) используются рентгенографические методы, позволяющие устанавливать связь между химическим составом, структурой и свойствами тела, тип твердых растворов, микронапряжения, концентрацию дефектов, плотность дислокаций.
Для изготовления микрошлифа необходимо вырезать небольшой образец из детали и получить на нем плоскую блестящую поверхность. Таким образом, технология получения микрошлифа состоит из следующих операций:
Вырезка образца из исследуемой детали
Получение плоской поверхности образца
Шлифование плоскости образца
Полирование плоскости образца
Травление полированной поверхности образца
Механические свойства металлов и сплавов. Испытания на твердость.
механические свойства металлов и сплавов — это свойства, которые проявляют эти материалы при нагруженние изделий или образцов из них внешними силами. К таким свойствам относятся прочность, упругость, пластичность, вязкость, твёрдость, способность противостоять действию различных сред и другие свойства.
Испытанием на твердость определяется сопротивление поверхностных слоев материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении твёрдого индентора (наконечника) вдавливанием.
Основы термической обработки. Разновидности видов термической обработки.
Термическая обработка состоит в изменении структуры металлов и сплавов путем нагревания их и последующего охлаждения с той или иной скоростью; при этом достигается существенные изменения свойств при том же химическом составе. Термическая обработка стали и чугуна основана на явлениях вторичной кристаллизации применительно к линиям GOS(A3), SE(Aст)и PK(A1).
Основы термической обработки. Классификация видов термической обработки.
Классификация видов термической обработки Термическая обработка (ТО) – это тепловое воздействие на металл или сплав, с целью изменения структуры и свойств в заданном направлении. Все виды ТО можно свести к 6 наиболее общим: 1) отжиги 1-го рода, 2) отжиги 2-го рода, 3) закалка с полиморфным превращением, 4) отпуск, 5) закалка без полиморфного превращения, 6) старение.
Термическая обработка. Дайте определение каждому виду
Отжиг — термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.
Закалка — термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.
Отпуск — термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.
Режимы термической обработки, виды, назначение.
Процесс термической обработки с целью изменения структуры и механических свойств состоит из операций нагрева изделия, выдержки при данной температуре и охлаждения с определенной скоростью. Параметрами технологического процесса термической обработки будут максимальная температура нагрева сплава, время выдержки при данной температуре и скорости нагрева и охлаждения.
Термическая обработка. Параметры режима, опишите влияние каждого на структуру и свойства стали
Термическая обработка проводится для изменения свойств стали (прочности, твердости, пластичности, вязкости). Эти свойства зависят от структуры стали после термической обработки.
После отжига, отпуска, нормализации (отпуск с охлаждением на воздухе) структура стали состоит из пластичного феррита и цементита, обладающего высокой твердостью и хрупкостью. Включения карбидов оказывают упрочняющее действие на стали. При малом числе цементитных включений стали пластичны и имеют невысокую твердость. Измельчение частиц цементита при термической обработке приводит к упрочнению стали. При укреплении частиц цементита увеличивается способность стали к пластической деформации.
Повышение температуры отпуска закаленных изделий, ведущее к укрупнению цементитных частиц, снижает прочность. Прочность снижается при уменьшении скорости охлаждения в процессе закалки или повышении температуры из термического распада.
Термическая обработка улучшаемых сталей. Изменение структуры и свойств в процессе термической обработки
Стали, подвергаемые термическому улучшению, широко применяют для изготовления различных деталей, работающих в сложных напряженных условиях ( при действии разнообразных нагрузок, в том числе переменных и динамических). Стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Важное значение имеет сопротивление хрупкому разрушению.
Улучшению подвергаются среднеуглеродистые стали с содержанием углерода 0,30…0,50 %.
Применение термической обработки стали. Основные виды.
Металлические изделия, используемые в хозяйстве, должны быть устойчивыми к внешнему воздействию. Чтобы этого достичь, металл необходимо усилить при помощи воздействия высокой температуры. Такая обработка меняет форму кристаллической решётки, минимизирует внутреннее напряжение и улучшает его свойства.
Выделяют такие виды термической обработки:
Техническая (отпуск, закалка, криогенная обработка, старение).
Термомеханическая, при которой используют не только высокую температуру, но и физическое воздействие на металл.
Химико-термическая включает в себя термическую обработку металла с последующим воздействием на поверхность азотом, хромом или углеродом.
Термическая обработка стали: режимы, виды, назначение.
Процесс термической обработки с целью изменения структуры и механических свойств состоит из операций нагрева изделия, выдержки при данной температуре и охлаждения с определенной скоростью. Параметрами технологического процесса термической обработки будут максимальная температура нагрева сплава, время выдержки при данной температуре и скорости нагрева и охлаждения.
Виды термообработки: отжиг, нормализация, закалка, отпуск.
Отжиг — термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.
Закалка — термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.
Отпуск — термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.
Возврат и рекристаллизация
Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т.е. размер и форма зерен при возврате не изменяются.
Рекристаллизация — это процесс зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются новые, чаще всего равноосные зерна.
Отжиг стали: температура, режимы, виды.
Отжиг стали – процесс термообработки стали, при котором происходит температурный нагрев для получения определенных свойств изделия – снижение твердости, получение однородной структуры для проведения механической обработки, снятие внутреннего напряжения стали.
В зависимости от температур нагрева и начального состояния сплава при различных видах отжига I рода протекают процессы гомогенизации, рекристаллизации, устранения остаточных напряжений, уменьшения твердости. Все эти процессы проходят в случаях нагрева сплавов и выше, и ниже температур, при которых осуществляются фазовые трансформации. Основные цели, достигаемые с помощью этого вида термической обработки, – ликвидация химической и физической неоднородности, возникающей после сварки, резки, обработки давлением, закалки.
Отжиг, виды отжига. Назначение, структура и свойства
Отжиг — термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.
Закалка — термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.
Отпуск — термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.
Отжиг стали. Разновидности, режимы, структуры, свойства
Отжиг — термическая операция, состоящая в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествовавшей обработки, и приводящая металл в более устойчивое состояние.
Закалка — термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.
Отпуск — термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.
Термическая обработка стали. Нормализация. Цели, режим, структура и свойства
Нормализация стали – это технологический процесс термического характера, назначение которого в улучшении показателей стали разных марок.
Основной целью нормализации является достижение эффекта нивелирования напряжений, которые возникли в структуре материала по тем или иным причинам. В результате сталь легче обрабатывать разными способами, и она получает дополнительные характеристики в результате обработки.
С точки зрения физики процесса нормализация стали представляет собой обработку металла термическим образом, при котором его нагревают выше верхнего критического порога Асm и Ас3 на величину в 30–50 градусов по Цельсию. На этом уровне происходит выдержка металла, а далее его охлаждение при обычных температурных условиях окружающей среды.
Нормализация. Структура и свойства стали после нормализации (на примере доэвтектоидной стали)
Нормализация. – разновидность отжига.
В результате нормализации получают более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит), уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, полученные в процессе предшествующей обработки. Твердость и прочность несколько выше чем после отжига.
В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита.
Нормализация стали: процесс, температура, режимы, время
Термическая обработка стали, помимо нормализации, включает отжиг, отпуск, закалку, криогенную обработку, дисперсионное твердение.
Отжиг дает более тонкую структуру перлита, так как подразумевает охлаждение в печи.
Принцип закалки аналогичен, за исключением больших температур, чем при нормализации, и повышенной скорости охлаждения, благодаря тому, что его производят в жидкостях.
Суть нормализации состоит в нагреве стали до температуры, превышающей верхние критические значения температуры на 30 — 50°С , выдержке и охлаждении.
Закалка стали, её цели и основные параметры процесса. Структура и свойства стали после закалки (на примере стали 45).
При нагревании конструкционной специальной стали 45 до аустенитного уровня, происходит изменение состояния структурной решетки железа с переходом из объемно-центрированной в гранецентрированную структуру. Осуществляется перемещение углерода входящего в перлит и представляющего собой мельчайшие кристаллы Fe3C (цементита) в гранецентрированную измененную решетку железа.
Закалка. Способы закалки
В зависимости от состава стали, формы, размеров и требуемых от термически обработанной детали свойств следует выбирать способ закалки.
Основными способами закалки являются следующие.
1. Закалка в одном охладителе.
2. Прерывистая закалка, или закалка в двух средах.
3. Струйчатая закалка.
4. Закалка с самоотпуском.
5. Ступенчатая закалка.
Разновидности закалки. Режимы, области применения, структуры, свойства
1. Закалка в одном охладителе. Это наиболее простой способ. Нагретую до заданной температуры деталь погружают в закалочную жидкость, где она остается до полного охлаждения. Применяют при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей. Для деталей из углеродистых сталей диаметром более 2—5 мм закалочной жидкостью служит вода, а для деталей меньших размеров и для многих легированных сталей — минеральное масло. Этот способ применяют и при механизированной закалке.
2. Прерывистая закалка, или закалка в двух средах. Деталь сначала охлаждают в быстроохлаждающей среде (обычно в воде), а затем медленно охлаждают (деталь переносят в минеральное масло или охлаждают на воздухе). Мартенситный интервал происходит при сравнительно медленном охлаждении, что способствует уменьшению внутреннего напряжения. Этот способ применяют при закалке инструмента из высокоуглеродистых сталей. Практически трудно установить и отрегулировать время пребывания деталей в первой жидкости, так как оно исчисляется секундами.
3. Струйчатая закалка. Обрызгивание детали интенсивной струей воды обычно применяют тогда, когда требуется закалить части детали. При этом способе не образуется паровой рубашки, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем при простой закалке в воде.
4. Закалка с самоотпуском. В этом случае охлаждение изделия в закалочной среде прерывают, с тем чтобы в сердцевине изделия сохранилось еще некоторое количество теплоты. Под действием теплообмена температура в более сильно охлаждающихся поверхностных слоях повышается и сравнивается с температурой сердцевины. В результате происходит отпуск поверхности стали (самоот- пуск). Эту закалку применяют, например, для таких инструментов, которые работают с ударными нагрузками и должны сочетать высокую твердость на поверхности с повышенной вязкостью в сердце- вине (зубила, кувалды, молотки, керны и т.п.).
5. Ступенчатая закалка. Сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру выше точки Мн (180—250 °С), и выдерживают сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе. В результате выдержки в закалочной среде достигается выравнивание температуры по сечению изделия до температуры закалочной ванны. Затем следует обычное медленное охлаждение, во время которого происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит, но менее полное, чем при непрерывной закалке. Сталь сохраняет большое количество остаточного аустенита. При ступенчатой закалке уменьшаются объемные изменения и возможность образования трещин.
Отпуск стали, его цели и основные параметры процесса. Низкий отпуск. Структура и свойства стали после низкого отпуска (на примере стали У10).
Отпуск является окончательной термической обработкой.
Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений закаленных сталей.
С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали.
Различают три вида отпуска:
1. Низкий отпуск с температурой нагрева Тн = 150…300oС.
В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Получают структуру – мартенсит отпуска.
Проводят для инструментальных сталей; после закалки токами высокой частоты; после цементации.
2. Средний отпуск с температурой нагрева Тн = 300…450oС.
Получают структуру – троостит отпуска, сочетающую высокую твердость 40…45HRC c хорошей упругостью и вязкостью.
Используется для изделий типа пружин, рессор.
3. Высокий отпуск с температурой нагрева Тн = 450…650oС..
Отпуск закаленной стали. Виды отпуска, структуры, назначение.
Закалённая сталь сохраняет высокую износостойкость, однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдержит высоких динамических нагрузок. Такому отпуску подвергают режущие и измерительные инструменты из углеродистых и низколегированных сталей.
ВИДЫ:-Низкотемпературный отпуск металла - проводят при температурах до 250 °С. Закалённая сталь сохраняет высокую износостойкость, однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдержит высоких динамических нагрузок. Такому отпуску подвергают режущие и измерительные инструменты из углеродистых и низколегированных сталей.
-Среднетемпературный отпуск металла - Проводят при температурах 350-500 °С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости, а также релаксационную стойкость. Охлаждение после отпуска проводят при температурах400-500 °С в воде, после чего возникают сжимающие остаточные напряжения, которые увеличивают предел выносливости пружин.
-Высокотемпературный отпуск металла - Проводят при температурах 500—680 °С. При этом остается высокая прочность и пластичность, а также максимальная вязкость. Высокому отпуску подвергают детали, воспринимающие ударные нагрузки (зубчатые колеса, валы).
Отпуск закаленной стали. Назначение, разновидности, режимы, структуры, свойства
Отпуск проводят с целью получения более высокой пластичности и снижения хрупкости материала при сохранении приемлемого уровня его прочности. Для этого изделие подвергается нагреву в печи до температуры от 150°C-260°C до 370°C-650°C с последующим медленным остыванием.
Низкотемпературный отпуск металла - проводят при температурах до 250 °С. Закалённая сталь сохраняет высокую износостойкость, однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдержит высоких динамических нагрузок. Такому отпуску подвергают режущие и измерительные инструменты из углеродистых и низколегированных сталей.
-Среднетемпературный отпуск металла - Проводят при температурах 350-500 °С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости, а также релаксационную стойкость. Охлаждение после отпуска проводят при температурах400-500 °С в воде, после чего возникают сжимающие остаточные напряжения, которые увеличивают предел выносливости пружин.
-Высокотемпературный отпуск металла - Проводят при температурах 500—680 °С. При этом остается высокая прочность и пластичность, а также максимальная вязкость. Высокому отпуску подвергают детали, воспринимающие ударные нагрузки (зубчатые колеса, валы).
Почему при закалке заэвтектоидных сталей нагрев производят до температуры Ас1 + (30-50) °С? Какие структурные превращения протекают? Как меняются свойства?
Для заэвтектоидных сталей высокие температуры не нужны, поэтому применяется неполная закалка. Они содержат цементит, а он более твердый, чем мартенсит. Перегрев выше Ас3 приводит к растворению цементита и твердость стали после закалки будет меньше, чем при полной закалке. Кроме того, при охлаждении с более высоких температур могут возникнуть большие внутренние напряжения.
Для сталей с углеродом меньше 0,8% в структуре цементита нет, поэтому применяют полную закалку
ХТО. Азотирование стали
Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.
Азотирование стали — насыщение поверхности стальных деталей азотом для повышения твердости, износоустойчивости и коррозионной стойкости.
Цементуемые стали. Цементация. Изменение структуры и свойств в результате цементации и последующей термической обработки.
Цементуемые стали цементуют и подвергают термической обработке (закалке и отпуску). Такая обработка обеспечивает высокую поверхностную твердость (HRC 58-63) и сохраняет требуемую вязкость и заданную прочность сердцевины металла. После цементации, закалки и низкого отпуска этих сталей цементованный слой должен миметь твердость HRC 58-62 а сердцевина – 30-42.
Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 oС.
Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (до 0,25 %).
Нагрев изделий осуществляют в среде, легко отдающей углерод. Подобрав режимы обработки, поверхностный слой насыщают углеродом до требуемой глубины.
Глубина цементации (h) – расстояние от поверхности изделия до середины зоны, где в структуре имеются одинаковые объемы феррита и перлита ( h. = 1…2 мм).
Степень цементации – среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно, не более 1,2 %).
Более высокое содержание углерода приводит к образованию значительных количеств цементита вторичного, сообщающего слою повышенную хрупкость.
На практике применяют цементацию в твердом и газовом карбюризаторе (науглероживающей среде).
Участки деталей, которые не подвергаются цементации, предварительно покрываются медью (электролитическим способом) или глиняной смесью.
Цементация. Структура цементованного слоя. Разновидности и цели цементации
Цементация – химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя атомами углерода при нагреве до температуры 900…950 oС.
На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу.
Различают следующие виды цементации: твердую, газовую цементации, цементацию пастами, жидкостную цементацию.
ХТО. Хромирование. Назначение, режим, структура, свойства
Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.
Хромирование - это метод нанесения тонкого слоя хрома на металлический предмет. Продукт хромирования называется хромом.
Электрохимические осадки хрома можно получать из растворов как трех-, так и шестивалентных соединений хрома. В промышленности применяют пока только шестивалентные соединения хрома – раствор хромовых кислот, в которых металл находится в виде анионов ,и. Основой электролитов хромирования является хромовая кислота с добавкой активирующих ионов, большей частью.
Электроосаждение хрома из раствора хромовой кислоты является одним из наиболее сложных процессов в гальваностегии. Он имеет ряд отличительных особенностей по сравнению с выделением многих других металлов: высокий отрицательный потенциал восстановления хромат-ионов, низкий выход по току (15 – 30 % в зависимости от t и ik), высокие плотности тока, обязательное присутствие в растворе некоторых посторонних анионов, необходимость применения нерастворимых анодов, очень низкая (отрицательная) рассеивающая способность электролита.
ХТО. Борирование. Назначение, структура, свойства.
Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.
Борирование — процесс химико-термической обработки, диффузионного насыщения поверхности металлов и сплавов бором при нагреве и выдержке в химически активной среде.
Борирование стали - химико-термическая обработка насыщением поверхностных слоев стальных изделий бором при температурах 900...950°С. Цель борирования - повышение твердости, износостойкости и некоторых других свойств стальных изделий. Диффузионный слой толщиной 0,05...0,15 мм, состоящий из боридов FeB и Fе2В, обладает весьма высокой твердостью, стойкостью к абразивному изнашиванию и коррозионной стойкостью. Борирование применяют также для повышения износостойкости поверхностного слоя стального изделия при повышенных температурах. Изделия, подвергшиеся борированию, обладают повышенной до 800°С окалиностойкостью и теплостойкостью до 900–950°С. Твердость борированного слоя в сталях перлитного класса составляет 15 000–20 000 МПа. Борирование особенно эффективно для повышения стойкости (в 2...10 раз) штампового инструмента.
ХТО. Алитирование. Назначение, режим, структура, свойства
Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.
Алитирование- насыщение поверхности стали алюминием. В результате алитирования сталь приобретает высокую окалиностойкость (до 850 - 9000С), так как в процессе нагрева на поверхности алитированных изделий образуется плотная пленка окиси алюминия Al2O3, предохраняющая металл от окисления.
Алитирование проводят в порошкообразных смесях (50% Al или ферроалюминия, 49% Al2O3и 1% NH4CI или 99% ферроалюминия и 1% NH4CI) при температуре 1000°С и выдержке в течение 8ч. В результате образуется слой в 0,4—0,5 мм, насыщенный алюминием. Алитирование выполняется также металлизацией в расплаве алюминия (с 6—8% железа) при 700—800°С с последующей выдержкой и др. методами.
ХТО. Силицирование. Назначение, режим, структура, свойства
Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.
Силицирование - поверхностное или объёмное насыщение материала кремнием. Силицирование производится обработкой материала в парах кремния, образующихся при высокой температуре над кремниевой засыпкой, или в газовой среде, содержащей хлорсиланы, восстанавливающиеся водородом по реакции:
SiCI4+ 2H2= Si + 4HC1
Температура процесса насыщения 1100-1200º С. Глубина слоя достигает 0,8 мм, но продолжительность около суток. При насыщении из газовой фазы используют газ SiH4– моносилан. Силицирование чаще проводят одновременно с насыщением детали Al, этот процесс называют алюмосилицированием. В результате на поверхности образуется FeAl интерметаллидная фаза и Al2O3. Силицирование применяют для деталей, работающих при повышенных температурах. Внедрение Si в поверхность позволяет повысить жаростойкость, т.е. сопротивление поверхности окислению при высоких температурах. После силицирования на поверхности образуется окислы кремния, либо двойные окислы - шпинели FeSi2O4, FeAl2O4.
ХТО. Нитроцементация. Назначение, режим, свойства
Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.
Нитроцементация сталей — процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при 700—950 °C в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Наиболее часто нитроцементация проводится при 850—870 °С. После нитроцементации следует закалка в масло с повторного нагрева или непосредственно из нитроцементационной печи с температуры насыщенияили небольшого подстуживания. Для уменьшения деформации рекомендуется применять ступенчатую закалку с выдержкой в горячем масле 180—200 °С.
Диаграмма состояния «железо-цементит», компоненты и фазы, их строение и свойства. Превращения, протекающие в железе при охлаждении (нагреве).
Диаграмма состояния Fe—Fe3C характеризует фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита.
Точка А определяет температуру плавления чистого железа, а точка D — температуру плавления цементита. Точки NwG соответствуют температурам аллотропических превращений железа. Точки Н и Р характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек ясны из диаграммы.
Превращения в сплавах происходят как при затвердевании жидкой фазы Ж, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация происходит в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус АВ, CD и солидус AHJRCF. Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной аллотропической модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите. При понижении температуры эта растворимость уменьшается.
Диаграмма состояния Fe3C
Содержание углерода в сталях, чугунах и техническом железе. Записать уравнение перитектического превращения.
Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода делятся на техническое железо (до 0,02% С), сталь (от 0,02 до 2,14 % С) и чугун (от 2,14 до 6,67% С). Сталь, содержащая до 0,8% С называется доэвтектоидной, 0,8% С — эвтектоидной и свыше 0,8% С — заэвтектоидной.
Уравнение перитектического превращения:
ЖР1 + ТМ1 = ТМ2,
где ЖР1 – жидкость (расплава);
ТМ2 – твердая фаза М2.
Феррит. Записать уравнение эвтектического превращения.
Ферри́ты — соединения оксида железа Fe2O3 с более осно́вными оксидами других металлов, являющиеся ферримагнетиками.
Эвтектика - нонвариантное превращение (распадение) жидкой фазы L на две кристаллические фазы (α, β), выражаемое формулой: L (жидкость) α кр. + β кр. Это двойная эвтектика; при наличии в жидкости 3 компонентов может образоваться тройная эвтектика: L (жидк.) α кр. + β кр. + γ кр. Эвтектика кристаллизуется (плавится) при более низкой температуре, чем составляющие ее кристаллические фазы в отдельности.
Диаграмма состояния «железо-цементит». Чугуны, их свойства, маркировка, получение, применение
Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит –  . Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до , то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего углерода.
Диаграмма состояния железо – цементит представлена на рис. 9.1.
Диаграмма состояния железо - цементит
Чугу́н — сплав железа с углеродом (и другими элементами), в котором содержание углерода — не менее 2,14 %
Запишите уравнение эвтектоидного превращения. Опишите участвующие в нем фазы
Формула эвтектоидного превращения имеет вид: γе → αm +βn.
При охлаждении сплава, содержащего 0,8 %С, с температур превышающих 727 С происходит распад аустенита на феррит и цементит. Распад формально напоминает превращение жидкости в две твердые фазы – эвтектическое превращение. Поэтому такой распад называют эвтектоидным. Следует иметь в виду, что химический состав аустенита и образующихся новых фаз – феррита и цементита существенно различаются. Поэтому существенную роль в превращении будут иметь диффузионные процессы.
Назовите структурные составляющие на диаграмме «железо-цементит». Дайте определение аустенита.
Феррит - твердый раствор внедрения углерода в - (ОЦК) железе. Различают низкотемпературный (Fе) и высокотемпературный (Fe) феррит. Феррит, является твердым раствором внедрения. Атомы углерода располагаются в решетке -Fe в межузлиях. Из-за малых размеров этих пор в ОЦК-решетке (0,291 г, где r - радиус атома железа) значительная часть атомов углерода располагается на дефектах (вакансиях, дислокациях). Этим объясняется малая растворимость углерода в -Fe. Максимальная концентрация углерода в феррите - 0,02 % при 727°С, а при комнатной температуре - 0,006 %.
Так же, как и -Fe, феррит магнитен до 768 °С.
Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных светлых зерен. Обозначают феррит буквой Ф (либо -фаза).
Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в - (ГЦК) железе. Кристаллическая решетка аустенита - ГЦК. Размер пор в ГЦК-решетке почти в 2 раза больше, чем в ОЦК-решетке. Поэтому растворимость углерода в -Fe больше, чем в - Fe. Максимальная концентрация углерода в аустените - 2,14 % при 1147 °С и 0,8 % при 727 °С. Аустенит, так же как и -Fe, немагнитен (парамагнитен). Аустенит пластичен = 40 50 %, НВ = 160 200 кгс/мм2. Обозначают аустенит буквой А (либо - фаза). Аустенит имеет пластинчатое строение с прямыми границами.
Цементит - химическое соединение Fe3С и содержит 6,67% С (карбид железа). Кристаллическая решетка цементита - сложная. Он тверд (HV = 1000, НВ=800 кгс/мм2), легко царапает стекло и хрупок. Условно температуру плавления цементита считают 1250°С, хотя он до этого не доходит и распадается на железо и графит. Обозначают цементит буквой Ц (или Fe3С).
Перлит – механическая эвтектоидная смесь феррита и цементита, содержит 0,8%С. Образуется из аустенита при температуре Т=727 0С.
Под микроскопом перлит выглядит в виде зерен с пластинчатым или зернистым чередованием феррита и цементита. Обозначают перлит буквой П.
Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита (после первичной кристаллизации) либо перлита и цементита (после перекристаллизации). Содержит 4,3%С.
Под микроскопом перлит выглядит в виде зерен с серыми зернами перлита на белом фоне цементита. Обозначают перлит буквой Л.
Запишите уравнение эвтектического превращения. Опишите участвующие в нем фазы
Формула эвтектоидного превращения имеет вид: γе → αm +βn.
При охлаждении сплава, содержащего 0,8 %С, с температур превышающих 727 С происходит распад аустенита на феррит и цементит. Распад формально напоминает превращение жидкости в две твердые фазы – эвтектическое превращение. Поэтому такой распад называют эвтектоидным. Следует иметь в виду, что химический состав аустенита и образующихся новых фаз – феррита и цементита существенно различаются. Поэтому существенную роль в превращении будут иметь диффузионные процессы.
|
Скачать 393.38 Kb.