16 Билет

1)Виды дислокаций. Влияние плотности дислокаций на прочность. Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые. Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости.

Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают. В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла. Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла.

Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций  Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм - “усы“ с прочностью, близкой к теоретической: для железа  = 13000 МПа, для меди  =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 10¹⁵…10 ¹⁶ м ^–2. В противном случае образуются трещины. Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

2)Серые чугуны. Классификация и св-ва. Маркировка. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый – с пластинчатым графитом; высокопрочный – с шаровидным графитом; ковкий – с хлопьевидным графитом. Серый чугун, широко применяется в машиностроении и представляет собой не сплошной металл, а пористую металлическую губку – сплав железа с графитом, поры которой заполнены рыхлым неметаллическим веществом — графитом. Чугун весьма хрупок. Его относительное удлинение при разрыве очень низко. Он разбивается на куски ударом.

Механические свойства серых чугунов зависят от свойств металлической основы и в основном, от количества, формы и размеров графитных включений. Перлитная основа обеспечивает наибольшие значения показателей прочности и износостойкости. Марки серых чугунов согласно ГОСТ 1412—85 состоят из букв "СЧ" и цифр, соответствующих минимальному пределу прочности при растяжении Ств, МПа/10. Чугун СЧ10 — ферритный; СЧ15, СЧ18, СЧ20 — ферритно-перлитные чугуны, начиная с СЧ25 — перлитные чугуны. На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 80% общего производства чугунных отливок. Серый чугун отличается высокими литейными свойствами (для него свойственна низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка) и поэтому служит основным материалом для литья. Он широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров. Серый чугун весьма склонен к образованию трещин при сварке, и борьбе с трещинами приходится уделять особое внимание при сварке. Часто в процессе сварки происходит отбеливание чугуна, что придает ему высокую твердость и хрупкость в зоне сварки и делает его совершенно непригодным для механической обработки после сварки. Встречаются сорта чугуна, практически совершенно не поддающиеся сварке, например так называемый горелый серый чугун, подвергавшийся длительному воздействию высокой температуры, кислот, пара и т. п.

Сварку чугуна применяют для исправления различных литейных дефектов, в ремонтных работах при восстановлении изношенных и разрушившихся деталей машин, а также при изготовлении комбинированных деталей машин из чугуна и из чугуна в сочетании с другими сплавами. Основными способами сварки чугуна являются: газовая, электродуговая и электроконтактная точечная, применяемая для соединения чугунных деталей с медными, бронзовыми и латунными деталями. Служебные свойства серого чугуна. Износостойкость определяется скоростью потери металла, выраженной в весовом или линейном измерениях. Основные виды износа классифицируются следующим образом: абразивный, при сухом трении, при трении со смазкой, эрозионно-кавитационный. Износостойкость серого чугуна зависит, прежде всего, от его структуры и твердости. Чем меньше общее количество графита и размеры графитовых включений, тем большей износостойкостью обладает чугун. Наличие феррита в структуре оказывается полезным только при сравнительно мягком контртеле, при малых давлениях и скоростях, в условиях трения качения при непрерывном одностороннем вращении, а также при возможных перекосах трущейся пары в процессе приработки. В большинстве случаев значительные преимущества имеет перлитная структура, особенно при трении скольжения и возвратно-поступательном движении.

В подавляющем большинстве случаев износостойкость находится в прямой зависимости от твердости чугуна и повышается с ростом твердости последнего. Особенно высокую твердость должны иметь детали, работающие в условиях ударно-абразивного износа. Износостойкость серого чугуна может быть существенно повышена за счет применения легирования. Серые чугуны маркируют буквами СЧ, затем ставят два двузначных числа: первое число показывает предел прочности при растяжении, второе — предел прочности при изгибе. В ГОСТ 1412—70 установлены следующие марки серых чугунов: СЧ00 (без испытаний механических свойств), СЧ 12-28, СЧ 15-32, СЧ24-44, СЧ32-52, СЧ44-64 и др. Например, марка СЧ15-32 показывает, что чугун имеет ов = 150 МН/м2 (15 кгс/мм2) и оизг = 320 МН/м2 (32 кгс/мм2).

Для получения чугуна стандартных марок регулируют химический состав, условия охлаждения и другие факторы. Отливки из серого чугуна широко применяют в машиностроении: для станин металлорежущих станков, маховиков, корпусов, поршневых колец, головок блоков двигателей, поршней, гильз автомобильных и тракторных двигателей, рам и других деталей.

3)Конструкционные стали. Лигатуры. Влияние легирующих элементов на св-ва сталей. Маркировка. Стали, из которых изготовляют детали, узлы машин, механизмы, строительные конструкции, газо- и нефтепроводы, оружие и военную технику, обрабатывающие станки, экскаваторы, морские суда, бытовую технику и многое другое, называются конструкционными.

Эти стали, в свою очередь подразделяют на несколько больших групп: улучшаемые конструкционные стали;

цементуемые конструкционные стали; пружинно-рессорные стали; пружинно-рессорные стали; стали для подшипников качения; автоматные стали; строительные стали. Термин «улучшаемые» сформировался от способа термической обработки – «улучшение». Это значит, что свойства этих сталей (прочность, ударную вязкость, усталостную прочность) можно варьировать (улучшать) в широких пределах термической обработкой, заключающейся в закалке и последующем высоком или среднем отпуске. Это, как правило, среднеуглеродистые (0,25-0,6%С), малолегированные (£ 3% легирующих элементов в сумме) или среднелегированные (3-10% легирующих элементов) стали. Лигатура— промежуточный сплав для введения в жидкий основной сплав летучих, сильно окисляющихся, тугоплавких добавок и компонентов. Обычно лигатура представляет двойной сплав, состоящий из большей части основного сплава и одной или нескольких добавок (легирующих элементов), содержание которых в несколько раз больше, чем в основном сплаве. Л. используют для более надежного и быстрого усвоения легирующих элементов, чем при введении их в чистом виде. Так, Сг и Zr вводят в А1-сплавы лигатурами из-за большой тугоплавкости этих металлов; Р вводят в Cu-сплавы лигатурой из-за летучести этого элемента; Мо и W вводят в Ni-сплавы, стали и чугуны также лигатурами из-за их тугоплавкости. Лигатуры получают сплавлением входящих в ее состав компонентов либо восстановлением их из руд, концентратов и оксидов. В ЧМ отличают лигатуру от ферросплавов, которые используют не только для легирования, но и для раскисления металлов и сплавов.

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.

Влияние примесей

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р,S). Так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты - легированного металлического лома (Ni, Cr и др.).

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.

Углерод

При увеличении содержания углерода до 1,2% возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических характеристик - таких, как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так, хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение, и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.

Марганец

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Кремний

Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25%.

Сера

Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035-0,06%. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.

Фосфор

Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025-0,045%. Фосфор, как и сера, относится наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.

Кислород и азот

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая повышение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03% происходит старение стали, а более 0,1% - красноломкости. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250oС.

Водород

Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникнуть флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют процесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

Влияние легирующих элементов

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости.

А – азот

Ю – алюминий

Р – бор

Ф – ванадий

В – вольфрам

К – кобальт

С – кремний

Г – марганец

Д – медь

М – молибден

Н – никель

Б – ниобий

Е – селен

Т – титан

У – углерод

П – фосфор

Х – хром

Ц – цирконий