3Вопрос

Прочность – это свойство твердых тел сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы под воздействием внешних сил. Техническая прочность металлов значительно меньше теоретической. Фактическая прочность уменьшается главным образом вследствие наличия в металле несовершенств.К наиболее прогрессивным методам упрочнения относят легирование, термическую и термомеханическую обработки, деформационное упрочнение и др. Прочность металлов может быть повышена за счет создания бездефектных структур. После термической обработки (закалки) стали ее твердость увеличивается в 2,5-3 раза.Повысить прочность металла – значит, продлить жизнь машин, оборудования, уменьшить их массу, улучшить надежность, повысить долговечность, экономичность и снизить металлоемкость.Методы повышения  прочности металлических материалов:Легирование;Термическая обработка;Химико-термическая обработка;Пластическое деформирование;Термомеханическая обработка;Композиционные и многослойные материалы;Порошковые и гранулированные материалы.Для упрочнения сплавов в последнее время используют такие методы, как ультразвуковая обработка, магнитная обработка, облучение частицами высокой энергии, лазерная обработка, высокие давления и т.д.

4Вопрос

Кристаллизация металлов.Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии. Кристаллизация - переход Ме из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической решетки.Энергетические условия процесса кристаллизации. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии.Механизм кристаллизации металлов: При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики - центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется.Минимальный размер способного к росту зародыша называется критическим размером, а зародыш - устойчивым. Переход из жидкого состояния в кристаллическое требует затраты энергии на образование поверхности раздела жидкость - кристалл. Процесс кристаллизации будетосуществляться, когда выигрыш от перехода в твердое состояние больше потери энергии на образование поверхности раздела. Зародыши с размерами равными и большими критического растут с уменьшением энергии и поэтому способны к существованию. Чем больше степень переохлаждения, тем меньше критический размер зародыша и больше число зародышей способно к росту. Чем меньше зерна Ме, тем лучше мех-есв-ва. Строение металлического слитка. 3 зоны.1мелкокристаллическая корковая зона; 2зона столбчатых кристаллов; 3внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации.Образуется мелкозернистая структура. Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы - дендриты. Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.Так как теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией.Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый (около 15...20 % от длины слитка)Понятие о структуре металловМеталлы и сплавы в твердом состоянии имеют критическое строение, т. е. их атомы расположены в пространстве с геометрической правильностью и образуют  элементарную ячейку — кристаллическую решетку. Для разных металлов форма кристаллической решетки различна. Расстояния между соседними атомами в кристаллической решетке называются параметрами решетки. Эти расстояния очень малы и измеряются в ангстремах (1 А = 10-8 см.). Атомы совершают непрерывные колебательные движения. Чем выше температура металла, тем больше амплитуда колебаний атома. При кристаллизации металлов правильных кристаллов обычно не получается. Кристаллы с искаженной формой называются кристаллитами. Кристаллическое строение металла называют его структурой. Свойства металлов и сплавов определяются не только их химическим составом, но и внутренним строением. В результате различных процессов обработки можно изменять внутреннее строение металла и, как следствие, его свойства.Макроструктурой называется строение металла, видимое невооруженным глазом или при увеличении не более 10-кратного. Микроструктурой называется строение металла, видимое при больших увеличениях.В результате исследования макроструктуры можно выявить величину и форму усадочной раковины, трещины, макропоры, газовые пузыри, неметаллические включения и строение отдельных кристаллических зон в слитке. В деформированном металле можно обнаружить трещины, волосовины, флокены — нитевидные трещины, получающиеся вследствие большого давления водорода при остывании стали, а также расположение волокон в прокате.После термической и химико-термической обработки по макроструктуре судят о глубине закалки, цементации, обезуглероженной зоне и т. д.Волокнистая структура стали получается в результате обработки давлением вследствие вытягивания кристаллитов и неметаллических включений в направлении деформации. Вдоль волокон механические свойства металла выше, чем поперек. Это учитывают при конструировании и изготовлении деталей. Чем чище металл, т. е. чем меньше в нем неметаллических включений, тем меньше разница в механических свойствах металла относительно направления деформации. При горячей обработке давлением литая структура слитка разрушается, дробится на более мелкие части. Имеющиеся в слитке пористость, макро- и микротрещины, а также газовые пузыри заваривают. Однако нередко на сердцевине деформированных изделий все же наблюдается некоторая пористость и рыхлость, частично остающиеся от слитка. Горячая обработка давлением повышает свойства пластичности стали относительные удлинение и сужение вдоль волокон, и понижает их в поперечном направлении.При холодной обработке давлением, например при волочении, возрастают твердость и прочность и уменьшается пластичность стали.Исследование макроструктуры металла не дает полного представления о его строении. Поэтому при исследовании стали обращают внимание на характер микроструктуры стали. В сталях различают действительное и природное зерно. Действительное зерно стали — это размер зерна, полученный в результате той или иной обработки — термической или давлением. На величину зерна оказывают влияние температура и время выдержки в нагретом состоянии.Природное зерно является наследственным. При определенных температурах сталь может иметь крупное или мелкое природное зерно. Легирующие элементы — ванадий, титан, вольфрам, молибден — способствуют повышению величины зерна стали. Наследственное природное зерно зависит от способа выплавки и раскисления стали и оказывает большое влияние на свойства стали и ее обрабатываемость.