- •7.2.1. Классификация сталей по структуре в нормализованном состоянии
- •. Алюминий и его сплавы
- •Классификация алюминиевых сплавов:
- •. Порошковые алюминиевые сплавы
- •Литейные алюминиевые сплавы
- •Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термообработкой
- •Титан и его сплавы
- •Медь и ее сплавы
- •Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термообработкой
- •2.4. Характеристики механических свойств, определяемые при циклических нагрузках
- •7.4.1. Отпускная хрупкость
- •Медь и ее сплавы
- •7.4.1. Отпускная хрупкость
- •Классификация алюминиевых сплавов:
- •Поверхностная закалка стали с индукционным нагревом (закалка твч)
- •Цементация
- •7.6.3. Азотирование
- •Дефекты кристаллического строения металлов
- •Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термообработкой
- •. Термодинамические условия кристаллизации
- •2.1.2. Характеристики пластичности
- •Порошковые алюминиевые сплавы
- •Титан и его сплавы
- •9.2.2.1. Оловянные бронзы
- •7.4.1. Отпускная хрупкость
- •Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термообработкой
- •4.1.2. Химические соединения
- •7.4.1. Отпускная хрупкость
- •. Литейные алюминиевые сплавы
- •6.2.2. Перлитное превращение
Билет №1
Диаграмма состояния железо-углерод. Структуры и фазы в системе Fe-C. Влияние углерода и примесей на свойства стали.
Железо: Тпл=1539ºС, две модификации Feα c ОЦК-решёткой, а=0,286 нм, существует до 910ºС и Feγ существует в диапазоне 910..1392ºС. Железо ферромагнитно при температурах ниже 768ºС (точка Кюри).
Углерод: элемент IV группы таблицы Д.И. Менделеева, с железом образует твердые растворы внедрения и химическое соединение Fe3C.
Фазы: жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит, графит.
Феррит – твердый раствор углерода в Feα.
Аустенит – твердый раствор углерода в Feγ.
Цементит – Fe3C (6,67% С) – карбид железа, решетка сложная ромбическая, высокая твердость, хрупок, Тпл=1250˚С. Цементит - метастабильная фаза, при высокой температуре разлагается на железо и графит.
Графит – углерод в твердом состоянии. Графит – стабильная фаза, плотность - 2,5 г/см3, решетка гексагональная, слоистая, анизотропен, низкая твердость и прочность, высокая химическая стойкость. Графит присутствует в качестве самостоятельной фазы в серых чугунах.
Основные критические точки и линии диаграммы (рис. 19):
точка А – температура плавления чистого железа 1539°С;
точка D – температура плавления цементита 1250°С;
точка G – 910°С (А3) – температура полиморфного α↔γ превращения железа;
точка N – 1392°С (А4) – температура полиморфного γ↔δ превращения железа;
ABCD – линия ликвидус;
AJECF – линия солидус;
ES – линия переменной растворимости углерода в аустените;
PQ – линия переменной растворимости углерода в феррите;
точка Е – предельная растворимость углерода в аустените (2,14% С);
точка Р – предельная растворимость углерода в феррите (0,02% С);
Превращения при охлаждении сплавов:
Рис. 19. Диаграмма состояния железо-цементит (метастабильная)
. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали
Чем больше содержание углерода в стали, тем выше её прочность и твёрдость, а пластичность и вязкость ниже (рис. 25). При содержании С>0,8% прочность падает из-за образования по границам зёрен хрупкой цементитной сетки (см. рис. 20 з).
Постоянные примеси попадают в сталь в процессе выплавки.
Полезные примеси: Mn от 0,3 до 0,8% и Si до 0,4%. Кремний повышает предел текучести, но снижает пластичность, марганец повышает прочность, не снижая пластичности.
Вредные примеси: сера, фосфор и газы (О2, Н2, N2). Сера вызывает красноломкость – разрушение металла при горячей обработке давлением (1000…1200˚С). Марганец связывает серу в более тугоплавкое соединение MnS, предупреждая красноломкость. Фосфор способствует хладноломкости стали, каждая 0,01% Р повышает порог хладноломкости на 20…25˚С. Газы охрупчивают сталь.
Виды и назначение отпуска закаленной стали. Температуры нагрева для отпуска, получаемые структуры и свойства.
Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже АС1, выдержка и охлаждение. Цель отпуска – получение окончательной структуры и свойств стали.
Характеристика видов отпуска
Виды отпуска |
Температура, °С |
Структура |
Свойства |
Применение |
Низкий |
150…250 |
Мотп |
HRC, σв |
Инструмент, подшипники, детали после ХТО и ТВЧ |
Средний |
350…500 |
Тотп |
σупр, σ-1 |
Рессоры, пружины |
Высокий |
500…680 |
Сотп |
КС |
Валы, оси, шатуны |
Деформируемые алюминиевые сплавы, их состав, методы упрочнения.
Дуралюмины (Д1, Д3, Д6, Д16 и т.п.) – сплавы системы Al-Cu. Основным легирующим элементом является медь. Сплав Д1 содержит 3,8…4,8%Cu, 0,5…1,5% магния, ~0,5% марганца. Согласно диаграмме Al-Cu (рис. 46) в сплавах образуются следующие фазы:
α – твердый раствор меди в алюминии, максимальная растворимость Cu в Al составляет 5,7%;
θ –твердый раствор на основе химического соединения СuAl2, содержащего 54,1%Cu.
Структура сплава Д1 в равновесном состоянии (после литья) α + θII, причем частицы θII располагаются по границам зерен и охрупчивают сплав (рис. 47 а).
Рис. 46. Диаграмма состояния Al – Cu
Для упрочнения дуралюминов проводится термическая обработка: закалка + старение. Закалка заключается в нагреве до температуры ~ 500°С, при которой хрупкая избыточная θII-фаза полностью растворяется в α-твердом растворе, быстрое охлаждение фиксирует структуру пересыщенного твердого раствора меди в алюминии
Для повышения прочности закаленного сплава проводят старение. Старение – это упрочнение закаленного сплава за счет распада пересыщенного твердого раствора и выделения избыточных вторичных фаз в мелкодисперсном виде (дисперсионное твердение).
Естественное старение заключается в выдержке закаленного сплава при комнатной температуре 5…7 суток. Искусственное старение заключается в выдержке при повышенной температуре 100…200°С в течение 10…24 часов.
Задача: 12ХН3А(0,12%- углерод, 1%- хром, 0,3%- никель, А – высококачественная) Структура сердцевины – мартенсит, низкоуглеродистый.
ТО: цементация + закалка + низкий отпуск
Билет № 2
Критические точки железа и стали в диаграмме Fe-C. Явление полиморфизма. Влияние легирующих элементов на критические точки А3, А4.
Полиморфизм – это свойство металла иметь разные кристаллические решетки (полиморфные модификации) при разных температурах. Полиморфизм присущ многим металлам, например, Feα имеет ОЦК-решетку, Feγ – ГЦК, Tiα – гексагональную, Tiβ – ОЦК и т.д. Температура полиморфного превращения чистых металлов постоянна: Feα↔Feγ – 910оС; Tiα↔Tiβ – 882 оС. Полиморфные модификации имеют разные свойства.
Основные критические точки и линии диаграммы (рис. 19):
точка А – температура плавления чистого железа 1539°С;
точка D – температура плавления цементита 1250°С;
точка G – 910°С (А3) – температура полиморфного α↔γ превращения железа;
точка N – 1392°С (А4) – температура полиморфного γ↔δ превращения железа;
ABCD – линия ликвидус;
AJECF – линия солидус;
ES – линия переменной растворимости углерода в аустените;
PQ – линия переменной растворимости углерода в феррите;
точка Е – предельная растворимость углерода в аустените (2,14% С);
точка Р – предельная растворимость углерода в феррите (0,02% С)
Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа
Легирующие элементы влияют на точки полиморфного превращения железа (А3 и А4), изменяя области существования феррита и аустенита. Различают две группы легирующих элементов: α- и γ-стабилизаторы (рис.26).
К α-стабилизаторам относятся элементы с ОЦК решёткой: Cr, Mo, W, V, Nb. Они повышают температуру А3 и понижают А4, расширяя область α-твёрдого раствора (рис. 26 а). При концентрации α-стабилизатора больше Х сплавы Fe-ЛЭ не испытывают полиморфного превращения и имеют структуру легированного феррита.
К γ-стабилизаторам относятся элементы с ГЦК решёткой: Mn, Ni, Cu и др. Они снижают температуру и повышают А4 расширяя область γ-твёрдого раствора (рис. 26 б). Сплавы, с концентрацией γ-стабилизатора больше Y имеют структуру легированного аустенита.
а)
б)
Рис. 26. Влияние легирующих элементов на точки полиморфного превращения железа: а – -стабилизаторы, б – -стабилизаторы
Улучшение и нормализация. Режимы. Получаемые структуры и свойства.
Нормализация
Нормализация – это нагрев доэвтектоидных сталей на 40…50 °С выше АС3, заэвтектоидных – на 40..50°С выше АСm, выдержка и последующее охлаждение на спокойном воздухе (Рис.38, 40).
Рис. 40. «Стальной угол» диаграммы состояния Fe-Fe3C с нанесенными температурами нагрева при нормализации
При нагреве происходит полная фазовая перекристаллизация, в результате охлаждения получают высокодисперсные феррито-цементитные смеси. Структуры:
доэвтектоидных сталей - С+Ф,
эвтектоидной – С,
заэвтектоидных – С+ЦII.
После нормализации сталь имеет более высокую прочность, твёрдость, сопротивление хрупкому разрушению, по сравнению с отжигом.
Цель нормализации - устранение крупнозернистой структуры, полученной при предшествующей обработке (литье, горячей прокатке, ковке или штамповке, диффузионном отжиге). Нормализацию применяют:
для низкоуглеродистых сталей - вместо отжига,
для среднеуглеродистых – вместо закалки с высоким отпуском,
для высокоуглеродистых (заэвтектоидных) – для частичного устранения цементитной сетки,
для некоторых легированных сталей – вместо закалки.
7.2.1. Классификация сталей по структуре в нормализованном состоянии
Структура сталей после нормализации зависит от суммарного количества в них легирующих элементов (ƩЛЭ), которые сдвигают С-кривую вправо и снижают линии Мн и Мк (рис. 41).
а) б) в)
Рис. 41. Структурные классы сталей в нормализованном состоянии: а – перлитный, б – мартенситный, в – аустенитный
Структурные классы сталей в нормализованном состоянии:
Перлитный класс: ƩЛЭ<5%, структура – феррито-карбидные смеси, как правило сорбит пластинчатый;
Мартенситный класс: 5%<ƩЛЭ<13%, структура – мартенсит;
Аустенитный: ƩЛЭ≥13%, среди которых имеются γ-стабилизаторы структура - АЛЕГ.
Высоколегированные стали, не содержащие γ-стабилизаторов, после нормализации будут иметь ферритную или ледебуритную структуру.
Закалку с высоким отпуском (улучшение) – для деталей, работающих при повышенных динамических (ударных) и циклических нагрузках.
Алюминиевые сплавы. Их классификация, маркировка, структура и применение.
. Алюминий и его сплавы
Свойства алюминия:
Тпл=660 ºС;
кристаллическая решетка ГЦК (не имеет полиморфного превращения);
низкий удельный вес;
высокая электро- и теплопроводность;
высокая пластичность;
высокая коррозионная стойкость вследствие образования на его поверхности пленки оксида Al2O3;
высокие технологические свойства – легко обрабатывается давлением, хорошо сваривается.
Классификация алюминиевых сплавов:
Деформируемые сплавы:
сплавы, не упрочняемые термической обработкой;
сплавы, упрочняемые термической обработкой.
2. Литейные сплавы.
3. Порошковые сплавы.
. Порошковые алюминиевые сплавы
К этим сплавам относят материалы, получаемые методами порошковой металлургии:
САП – спеченные алюминиевые порошки;
САС – спеченные алюминиевые сплавы.
Спеченные алюминиевые порошки (САП) – это сплавы Al–Al2O3. Структура САП представляет собой алюминиевую матрицу с равномерно распределенными мелкодисперсными включениями Al2O3, которые обеспечивают дисперсионное упрочнение сплава.
Литейные алюминиевые сплавы
Типичными литейными алюминиевыми сплавами являются силумины – сплавы алюминия с кремнием (АК12, АК9, АК7). Диаграмма состояния системы Al–Si приведена на рис.50.
Рис. 50. Диаграмма состояния сплавов системы Al – Si
Распространенный силумин АК12 содержит 11…13% Si. В равновесном (литом) состоянии сплав является заэвтектическим и состоит из эвтектики (α+Si) крупноигольчатого строения и включений хрупких первичных кристаллов кремния
Применяют силумины для изготовления мелких (АК12), а также средних и крупных (АК9, АК7) литых деталей (корпусов компрессоров, картеров двигателей внутреннего сгорания, блоков цилиндров автомобильных двигателей).
Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термообработкой
К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц2), содержащие 1…1,6% Mn, и магнием (АМг2, АМг6), содержащие 2…7%Mg. Структура этих сплавов в равновесном состоянии - твердый раствор легирующих элементов в алюминии. Упрочняют сплавы путем пластической деформации (нагартовки).
Свойства:
легко обрабатываются давлением;
хорошо свариваются;
обладают высокой коррозионной стойкостью;
обработка резанием затруднена.
Применяются эти сплавы для изготовления строительных конструкций (витражи, двери, оконные рамы и т.д.), емкостей для жидкостей (баки для бензина), палубных надстроек речных и морских судов
Задача : ТО = З + средний отпуск. Структура Троостит отпуска
Углеродистая сталь(55, 60, 65…..) имеет низкую релаксационную стойкость
Билет № 3
Влияние пластической деформации на свойства сталей. Явление наклепа. Механизмы пластической деформации.
Механизмы пластической деформации:
скольжение;
двойникование;
межзеренное перемещение (зернограничное скольжение).
Скольжение состоит в сдвиге одной части кристалла относительно другой путем последовательного перемещения дислокаций. В металлах с плотноупакованной решеткой (К12, Г12) кроме скольжения, возможно двойникование – зеркально симметричное смещение одной части кристалла относительно другой.
При пластической деформации поликристаллического металла, кроме того, происходит зернограничное скольжение, которое активизирует диффузию дислокаций, вакансий и межузельных атомов. Зерна удлиняются и дробятся, образуется волокнистая структура (рис.12).
При большой пластической деформации под влиянием внешних сил формируется текстура деформации – структура с преимущественной кристаллографической ориентировкой зёрен.
а)
б)
Рис. 12. Изменение формы зерна в металле под действием пластической деформации: до деформации (а) и после деформации (б)
В таком состоянии металл анизотропен, т.е. имеет различные свойства в разных направлениях.
Величину деформации характеризуют степенью пластической деформации e: , где Н0 и Н – размер образца до и после деформации соответственно.
С увеличением степени пластической деформации прочность и твердость повышаются, а пластичность уменьшается (рис. 13). Упрочнение металла при пластической деформации называется наклепом. Упрочнение вызвано:
увеличением плотности дислокаций r до 1011…1012 см-2;
искажением кристаллической решетки;
дроблением зерен.
Рис. 13. Влияние степени пластической деформации на механические свойства металла
На диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита нанести кривые охлаждения при закалке, нормализации и отжиге. Описать характерные особенности каждой термообработки, получаемые структуры и свойства.
Цель отжига – получение равновесной структуры. Это достигается путем медленного охлаждения детали вместе с печью (рис. 38). Структуры сталей после отжига соответствуют равновесной диаграмме состояния (Fe-Fe3C):
доэвтектоидных - П+Ф,
эвтектоидной – П,
заэвтектоидных – П+ЦII.
Нормализация – это нагрев доэвтектоидных сталей на 40…50 °С выше АС3, заэвтектоидных – на 40..50°С выше АСm, выдержка и последующее охлаждение на спокойном воздухе
Закалка – нагрев доэвтектоидной стали на 30..50°С выше АС3, заэвтектоидной - на 30..50°С выше АС1, выдержка и последующее охлаждение со скоростью выше критической (Рис. 38, 42). Цель закалки – получение структуры мартенсита.
Структуры сталей после закалки:
доэвтектоидных - М+АОСТ,
эвтектоидной - М+АОСТ,
заэвтектоидных – М+АОСТ+ЦII.
Титан и сплавы на основе титана. Влияние легирующих элементов на структуру в равновесном состоянии. Применяемые методы упрочнения. Достоинства и недостатки титановых сплавов