11 Билет

1)Механические свойства конструкционных материалов (см.10 билет). Твёрдость. Методы измерения твёрдости. Шкала Мооса. Твёрдость – это сопротивление тела внедрению индентора – другого твёрдого тела. Способы испытания твёрдости подразделяются на статические и динамические. К статическим способам относятся – по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу, Кнупу; к динамическим – по Шору, Шварцу, Бауману, Польди, Морину, Граве. Твёрдость по Бринеллю. Метод Бринелля – способ определения твёрдости материалов вдавливанием в испытываемую поверхность стального закалённого шарика диаметром 2,5; 5 и 10 мм при нагрузке P от 625 Н до 30 кН. Число твёрдости по Бринеллю НВ – отношение нагрузки (кгс) к площади (мм²) поверхности отпечатка. Для получения сопоставимых результатов относительной твёрдости материалы (НВ свыше 130) испытывают при отношении P:D²=30, материалы средней твёрдости (НВ 30-130) – при P:D²=10, мягкие (НВ<30) – при P:D²=2,5. Испытания по методу Бринелля проводят на стационарных твердомерах – прессах Бринелля, обеспечивающих плавное приложение заданной нагрузки к шарику и постоянство её при выдержке в течение установленного времени (обычно 30 секунд). ГОСТ 9012-59. Метод Виккерса. Способ определения твёрдости материалов вдавливанием в поверхность образца или изделия алмазного индентора имеющего форму правильной четырёхгранной пирамиды с двухгранным углом, равным 136 градусам при вершине. Число твёрдости по Виккерсу (HV) – отношение нагрузки на индентор к площади пирамидальной поверхности отпечатка. Вдавливающая нагрузка (50, 100, 200, 300, 500, 1000 Н) выбирается в зависимости от твёрдости и толщины испытываемого образца или изделия. Твёрдость по методу Виккерса определяется твердомерами, позволяющими проводить испытания в стационарных условиях и измерять каждую из двух диагоналей отпечатка с погрешностью до 1 мкм. ГОСТ 9030-75. Метод Роквелла. Способ определения твёрдости материалов (главным образом металлов) вдавливанием в испытываемую поверхность алмазного индентора с углом при вершине 120 градусов (шкалы А или С) или стального закалённого шарика диаметром 1/16 дюйма или 1,588 мм (шкала В. Твёрдость по Роквеллу выражается в условных единицах. За единицу твёрдости принята величина соответствующая перемещению индентора на 0,002 мм. Испытание методом Роквелла проводят на специальном настольном приборе, снабжённом индикатором, который показывает число твёрдости. ГОСТ 23677-79.

Минералогическая шкала твёрдости, шкала твёрдости Мооса – набор стандартных минералов для определения относительной твёрдости методом царапания эталоном испытываемого объекта. За эталоны приняты следующие 10 минералов: тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд, алмаз.

2)Диаграмма для образования дистектики. Конгруэнтное и инконгруэнтное плавление.

Промежуточные фазы, при плавлении которых составы твердой и жидкой фаз совпадают, называются конгруэнтно плавящимися. Типичные диаграммы приведены на рис.17 (а,б). Если промежуточная фаза является фазой постоянного состава, то вертикаль химического соединения А_mВ_n делит всю диаграмму на две части, которые можно рассматривать как самостоятельные диаграммы (рис.17, а). Сплавы, составы которых лежат левее химического соединения, можно получать, сплавляя компонент А с химическим соединением, аналогично сплавы правее химического соединения –сплавляя компонент В и химическое соединение А_mВ_n. Такие диаграммы характерны для систем, образованных металлами и элементами, обладающими и металлическими, и неметаллическими свойствами, а промежуточная фаза обычно представляет собой  химическое соединение с нормальной валентностью или полупроводниковую фазу. Если конгруэнтно плавящаяся промежуточная фаза является фазой переменного состава, то на диаграмме появляются области гомогенности  (область g фазы на рис.17, б). Сплавы, расположенные в области левее А_mВ_n, можно рассматривать как твердый раствор компонента А в химическом соединении, а сплавы, расположенные правее – как раствор компонента В в этом же соединении. Область гомогенности может располагаться и по одну сторону  от химического соединения. Во всех случаях химическое соединение  будет плавиться при постоянной температуре, которая обычно выше  температур плавления чистых компонентов. Точка максимума m называется дистетической точкой (дистектический  с греч. – трудно плавящийся, тугоплавкий), а сами конгруэнтно плавящиеся фазы – фазами с открытым максимумом. Промежуточные фазы, при плавлении которых состав образующейся   жидкой фазы отличается от состава твердой фазы, называются инконгруэнтно плавящимися (инконгруэнтный –  несовпадающий).  Строго  говоря, здесь нужно говорить не о плавлении, а о распаде фазы по реакции, обратной перитектической. Так, химическое соединение А_mВ_n (рис.18, а) устойчиво лишь до температуры перитектической реакции, а затем распадается по реакции А_mВ_n ---> L_p + В.

Аналогично для  g– фазы (рис.18, б) можно записать:  g_m ---> L_p + b_n. Таким образом, при распаде выделяется жидкая фаза и образуется новая твердая фаза. Образование этих фаз происходит по перитектической реакции. Инконгруэнтно плавящиеся фазы называют также фазами со скрытым максимумом (штриховые линии на рис.18, а, б), подчеркивая этим,   что у фаз отсутствует дистектическая точка на кривых ликвидуса  и солидуса. Скрытый максимум отвечает составу химического соединения А_mВ_n (рис.18, а), если же фаза переменного состава, то скрытый максимум m, может оказаться за пределами области гомогенности ( рис.18, б). Фазовые превращения в сплавах приведенных выше диаграмм не содержат ничего нового по сравнению с уже рассмотренными, поэтому на этих вопросах не останавливаемся.

3)Химико-термическая обработка (см. 12 билет). Сущность цементации и азотирования. Цементация – это процесс насыщения поверхностных слоёв малоуглеродистых стальных деталей атомарным углеродом с последующей закалкой. Основана цементация на получении атомарного углерода и его диффузии в сталь, при температуре 900–950 °С, на глубину от 0,5 до 2,0 мм с повышением концентрации углерода в слое до 1,2 %. Увеличение содержания углерода в поверхностном слое, в сочетании с последующей термической обработкой (закалка и отпуск), позволяет повысить поверхностную твёрдость до HRC 58-62, что улучшает износостойкость деталей. Кроме того, в результате структурных изменений, происходит увеличение объёма цементированного слоя с возникновением в нём остаточных напряжений сжатия в пределах 400–1000 МПа, что способствует повышению усталостной прочности деталей. Применяются три вида цементации: – твёрдыми карбюризаторами с «сухим» и «мокрым» способами приготовления смеси; – в газовых средах; – в жидких средах. Цементация твёрдыми карбюризаторами осуществляется путём упаковки почти окончательно обработанных деталей в металлические ящики с пересыпкой их слоем карбюризатора толщиной 15–20 мм. Например, состав смеси одного из карбюризаторов: – углекислый барий (BaCO₃) – 14–22 %; – сода (Na₂CO₃) – 4 %; – углекислый кальций (CaCO₃) – 2 %; – патока или крахмал – 6 %; – вода до 5 %; – древесный уголь твёрдых пород величиной зерна 7–12 мм – остальное. Поверхности детали, не требующие цементации, покрываются защитными обмазками. Упакованные в ящики детали закрывают крышкой, обмазывают шамотовой глиной, просушивают и устанавливают в печь. Печи могут быть пламенные и электрические. Последние предпочтительнее, так как позволяют регулировать температуру в пределах ±10 °С. Продолжительность процесса зависит от глубины слоя цементации и составляет 10–20 часов. Средняя скорость науглероживания 0,08–0,1 мм/ч. После цементации детали в ящиках охлаждают вместе с печью или на воздухе, а затем подвергают закалке и низкому отпуску. Глубина слоя цементации контролируется по образцу-свидетелю, изготовленному из того же материала что и детали. Он укладывается в ящик вместе с деталями, подвергается цементации, а затем ломается. «Сухой» способ приготовления смеси, путём механического перемешивания сухих компонентов, не даёт равномерного распределения ускорителей процесса (углесодержащих солей), что приводит к дефектам цементации. Лучшим считается «мокрый» способ приготовления смеси, который осуществляется путем пропитывания угля раствором углесодержащих солей с последующей просушкой, чем достигается равномерное распределение ускорителей процесса. Цементация в газовых средах осуществляется в муфельных шахтных электропечах. В качестве газовых карбюризаторов применяют природный газ или пропано-бутановые смеси, а в качестве жидких карбюризаторов используют керосин, индустриальное масло и др. Жидкий карбюризатор подают в муфель в виде капель или в пылевидном состоянии. Распыление производится форсунками, соединёнными с плунжерным насосом. Этот вид цементации позволяет: – сократить продолжительность процесса более чем в два раза; – автоматизировать процесс; – снизить себестоимость; – сократить производственные площади и улучшить условия труда. Цементация в жидких средах применяется для мелких деталей. Она осуществляется в ваннах, содержащих расплав, например: из солейNa₂CO₃ – 75…85 %; NaCI – 10–10 %; карборунд SiC – 6¸10 %. Детали на подвесках загружаются в ванну. Процесс ведётся при температуре 740–860 °С, в течение 0,5–2,5 ч, глубина слоя цементации 0,2–0,6 мм. Детали подлежат закалке без дополнительного нагрева. Азотирование – это процесс насыщения поверхностных слоёв стальных деталей атомарным азотом при нагреве деталей до температуры 480–650 °С в атмосфере аммиака. Атомарный азот, диффундируя в сталь, образует в ней с железом и легирующими элементами химические соединения – нитриды. Азотирование осуществляют в шахтных электрических печах с герметичным муфелем из жаростойкой стали, снабжённым вентилятором и трубками для ввода и вывода газов. Детали в муфеле крепятся на подвесках. Насыщение поверхности детали атомарным азотом приводит к изменению структуры и увеличению объёма поверхностного слоя, что создаёт на поверхности детали остаточные напряжения сжатия, т. е. повышается усталостная прочность. Кроме того, повышается твёрдость, износостойкость и коррозионная стойкость. По отношению к цементации азотирование имеет следующие преимущества: – сохранение твёрдости азотированного слоя при нагреве детали до 500–600 °С; – отсутствие закалки деталей после азотирования. Различают два вида азотирования: твёрдостное азотирование, которому подвергаются детали, изготовленные из хромоникелевых сталей и сталей, легированных Cr, Al, Mo, которые способствуют образованию твёрдых нитридов. Температура ведения процесса 500–520 °С, время – 80–100 ч, глубина слоя – 0,25…0,5 мм; антикоррозийное азотирование, которому подвергаются детали из углеродных сталей. Процесс протекает при 550–700 °С с выдержкой при этой температуре 0,5–2,5 ч. Глубина слоя до 0,05 мм.