Материал: Ответы №2

1. Кристаллизация металлов, охлаждение чистого железа, его модификации.

Металлы — простые кристаллические вещества, которые обладают большой прочностью, электропроводностью, теплопроводностью, деформативностью и обладают особым металлическим блеском.

При переходе из жидкого состояния в твёрдое образуется кристаллическая решетка, возникают кристаллы. Такой процесс называется кристаллизацией.

Температура плавления чистого железа — 1539 ºС.

1. Виды сплавов, основные составляющие структуры сплавов.

Сплавы — сложные кристаллические вещества, которые обладают свойствами металлов.

Сплавы могут быть на основе:

Металл + металл (2 и более элемента) — бронза, дюраль;

Металл + неметалл — сталь, чугун.

Все металлы и сплавы принято подразделять на две группы:

Чёрные — железо и сплавы на его основе (сталь, чугун);

Цветные — остальные металлы и сплавы на их основе.

Виды сплавов:

1. По способу изготовления различают литые и порошковые сплавы. Литые сплавы получают кристаллизацией расплава смешанных компонентов.

2. По способу получения заготовки различают литейные (чугуны), деформируемые (стали) и порошковые сплавы.

3. В твёрдом агрегатном состоянии сплав может быть гомогенным (однородным, однофазным) и гетерогенным (неоднородным, многофазным).

Структурная составляющая сплава – обособленная часть сплава, имеющая одинаковое строение, с присущими ей характерными особенностями.

Типы структур:

1. Химическое соединение.

Многообразны в металлических сплавах; кристаллическая решётка отличается от исходных компонентов; постоянная температура плавления; свойства резко отличаются от свойств исходных компонентов.

Fe₃C – цементит (карбид железа) — химическое соединение железа с углеродом, с содержанием углерода 6,67%.

Цементит обладает низкой пластичностью и высокой твёрдостью, хрупкий (НВ=10 000 МПа).

2. Твёрдые растворы — фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решётку, а атомы других компонентов располагаются в решётке первого компонента, изменяя её размеры.

• Феррит – твёрдый раствор углерода в альфа железе. Содержание углерода до 0,02%. Имеет минимальную прочность, но максимальную деформативность;

• Аустенит – твёрдый раствор углерода в гамма железе. Содержание углерода до 2,14%. Обладает высокой пластичностью, низким пределом прочности при растяжении.

3. Механические смеси.

• Перлит – высоко дисперсная эвтектоидная смесь феррита и цементита. Содержание углерода 0,8%;

• Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита. Содержание углерода 4,3%.

2. Углеродистые стали — структура, свойства, применение.

Сталь – сплав железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14%.

Углерод сильно влияет на свойства стали даже в минимальных количествах. Такие стали называются углеродистыми.

По структуре сталь классифицируют:

• Малоуглеродистые сплавы, с содержанием углерода до 0,02% называются техническим железом. Структура — чистый феррит;

• Доэвтектоидная сталь, структура Ф + П, 0,02%<C<0,8%;

• Эвтектоидная сталь, структура 100% П, С=0,8%;

• Заэвтектоидная сталь (инструментальная), структура П + Ц, 0,8<C<2,14%.

Чем больше углерода, тем сплав более хрупкий.

С ростом содержания углерода увеличивается твёрдость и прочность и уменьшается вязкость и пластичность стали. Рост прочности происходит до 0,8–1,0 % углерода. При увеличении содержания углерода более 0,8 % уменьшается не только пластичность, но и прочность.

С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость, а также способность деформироваться в горячем и особенно в холодном состоянии.

Применение:

Низкоуглеродистые стали применяются для изготовления шайб, заклёпок, крышек, болтов, фланцев, вилок, муфт, втулок, косынок, штуцера теплообменных аппаратов.

Износостойкие цементируемые стали применяются для изготовления червячных, шлицевых и распределительных валов, зубчатых колес, втулок, шпилек, осей, вал-шестерен, валов редукторов.

Углеродистые стали применяются для изготовления болтов и гаек.

Стали с добавками титана применяются для изготовления зубчатых колес коробок передач, червячных валов, зубчатых венцов, осей, тяжело нагруженных зубчатых колес, трансмиссий транспортных машин.

3. Зависимость свойств стали от химического состава.

Углерод — элемент, с увеличением содержания которого в стали увеличивается её твёрдость и прочность, при этом уменьшается пластичность.

Кремний и марганец присутствуют в стали в количестве 0,35…0,4% и 0,5…0,8%. Кремний повышает предел текучести и снижает способность стали к холодной деформации. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, но уменьшает красноломкость. Кремний и марганец примеси постоянные и технологически неизбежные.

Сера вызывает появление трещин. При большем содержании серы сталь становится кросноломкой, т.е. хрупкой при повышенных температурах (≈ 800 ºС). Сера, кроме того, снижает ударную вязкость и предел выносливости, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Содержание серы ограничивается до 0,035…0,06%.

Фосфор растворяется в феррите, искажая его кристаллическую решётку, повышает временное сопротивление и предел текучести стали, а пластичность и вязкость уменьшает. При большем содержании вызывает хладноломкость стали, т.е. повышенную хрупкость при низких, а особенно, при отрицательных температурах. Содержание от 0,025 до 0,07%.

Азот и кислород повышают порог хладноломкости, уменьшают ударную вязкость и предел выносливости стали.

Особенно вреден водород. Он не только делает её более хрупкой, но и приводит к образованию в катаных заготовках и поковках тонких трещин – флокенов. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

Кроме этих элементов могут встречаться и другие, но это будут природнолегированные стали.

4. Влияние структуры на свойства стали.

Величина зёрен оказывает существенное влияние на механические свойства стали (чем мельче зёрна, тем выше качество стали).

На свойства стали, кроме зернистости, существенное влияние оказывают однородность аустенита, содержание С и легирующих примесей, дисперсность структуры, старение и др.

На механические характеристики стали влияют изменение содержания углерода, легирование, диспергирование структурных составляющих, измельчение зерна, наклёп. Упрочнение обычно ведёт к уменьшению вязкости и пластичности.

Углерод — элемент, с увеличением содержания которого в стали увеличивается её твёрдость и прочность, при этом уменьшается пластичность. Также углерод ухудшает свариваемость.

Сплавы на основе феррита обладают мягкой и пластичной микроструктурой. Прочность и твёрдость аустенита в 2,5-3 больше феррита.

Цементит придаёт стали твёрдость. Перлит имеет повышенную прочность и твёрдость по сравнению с ферритом. Поэтому доэвтектоидные стали гораздо более пластичны, чем заэвтектоидные.

Кремний повышает прочность стали, но ухудшает её свариваемость и стойкость против коррозии.

Алюминий входит в сталь в виде твёрдого раствора феррита и в виде различных нитридов и карбидов, хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.

Марганец растворяется как в феррите, так и в цементите; образует тугоплавкие карбиды, что приводит к повышению прочности и вязкости стали.

Медь несколько повышает прочность стали и увеличивает стойкость её против коррозии. Избыточное её содержание (более 0,7%) способствует старению стали.

Азот в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает её хрупкой, особенно при низких температурах.

5. Диаграмма состояния системы железо-цементит.

Основные точки:

• точка А — температура плавления чистого железа (1539 ºС);

• точка D — температура плавления цементита (1500 ºС);

• точка С — эвтектическая точка, имеет минимальную температуру плавления, и отсутствует двуфазное состояние.

• точка S — эвтектоидная точка, отсутствуют двойные структуры.

Линии:

• линия АСD — ликвидус, выше этой линии все сплавы находятся в жидкой фазе.

• АЕСF — солидус, ниже этой линии все сплавы находятся только в твёрдой фазе.

Между ликвидусом и солидусом — двуфазное состояние.

• PSK — линия перлитных превращений. Происходит распад аустенита с образованием перлита.

• Цементит – Fe₃C, линия DFK;

• Феррит – Ф, Fe-α, левее GPS и AHN;

• Аустенит – A, Fe-γ, линия NJESG.

Три горизонтальные линии:

• 1499 °С HJB перитектика, концентрация 0,1…0,5 % С. LB + ФН → ФJ;

• 1147 °С – эвтектика ЕСF, концентрация 2,14…6,67 % С;

• 727 °С – эвтектоид PSK, концентрация 0,02…6,67 % С.

Для всех С = 0 (закон Гиббса).

6. Виды термической обработки стали.

Цель термической обработки стали — повышение физико-механических характеристик.

Виды:

1. Закалка

2. Отпуск

3. Отжиг

4. Нормализация

Закалка.

• Нагрев стали до температуры выше аустенитных превращений на 30…40 ºС, выдержка, а затем быстрое охлаждение со скоростью, превышающую критическую;

• т.е., как правило, получается мартенситная структура;

• Производится на готовых изделиях;

• После обязательно подвергают отпуску, чтобы снять внутренние напряжения, возникающие из-за неравномерности распределения температуры по объёму детали.

Отпуск.

Проводится после закалки.

Отпуск — нагрев стали до температуры ниже аустенитных превращений, выдержке, и последующем охлаждении с определённой скоростью.

• Низкий — нагрев до 250 ºС. Структура — отпущенный мартенсит. При этом внутренние напряжения, которые возникают при закалке снимаются. Повышается прочность, улучшается вязкость без снижения твёрдости. Применение - режущий и мерительный инструмент. Изделие не выдерживает длительных динамических нагружений.

• Средний — нагрев до 350…500 ºС. Структура — троостит или троосто-мартенсит. Высокий предел упругости, выносливости, релаксационная стойкость. Применение - пружины, рессоры.

• Высокий — нагрев до 500…600 ºС. Структура — сорбит отпуска. Применение - конструкционные стали, к которым предъявляются повышенные требования.

Отжиг.

Для упорядочения структуры, снятия остаточных напряжений, уменьшение размера зерна.