Экзаменационные вопросы к билетам по госэкзамену дисциплины «Металловедение и термообработка»

( составитель Малашкевичуте Е.И.) для 050709

1. Влияние пластической деформации на структуру и свойства металла.

2. Мартенситное превращение

3. Процесс первичной кристаллизации, формирование структуры. Модифицирование.

4. Способы закалки

5. Строение металлов и сплавов.

6. Критические точки стали. Фазовые превращения при нагреве.

7. Влияние скорости охлаждения на свойства и структуру продуктов распада аустенита. Показать на С-образной диаграмме.

8. Классификация и маркировка серых чугунов, свойства. Нарисовать микроструктуры серых чугунов.

9. Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла, изменение свойств при нагреве.

10. Закалка стали: цель, сущность, назначение

11 Общие закономерности процессов, протекающих при ХТО, сущность, назначение

12. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение.

13. Строение металлов и сплавов (механическая смесь, химическое соединение, твердые растворы).

14. Нормализация, цель, сущность; структура и свойства после т/о.

15. Четыре основных превращения в стали при термической обработке.

16. Рост аустенитного зерна при нагреве (влияние л.э. на рост зерна аустенита)

17. Основные виды термической обработки (вычертить стальной угол диаграммы железо-цементит)

18. Охарактеризуйте процесс рекристаллизации.

19. Превращение перлита в аустенит

20. Превращение аустенита в до и заэвтектоидных сталях.

21. Способы закалки (начертить С-образную диаграмму с кривыми охлаждения)

22. Строение стального слитка (по Д.К. Чернову)

23. Распад аустенита, продукты распада аустенита.

24. Энергетические условия процесса кристаллизации (график изменения свободной энергии в зависимости от температуры)

25. Влияние пластической деформации на структуру и свойства металла (схемы микроструктур)

26. Отжиг I и II рода, цель, сущность: структура и свойства.

27. Механизмы и температурные районы образования структур перлитного типа (перлита, сорбита, троостита по диаграмме изотермического превращения аустенита)

28. Разновидности термомеханической обработки (привести схемы)

29. Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита (схема диаграмм изотермического распада аустенита).

30. Отпуск стали, цель, сущность, температурные режимы отпуска.

1. Влияние пластической деформации на структуру и свойства металла. С ростом степени холодной пластической деформации усиливаются прочностные свойства металла (увеличиваются пределы прочности и текучести, твердость), а пластические свойства ослабевают (уменьшаются относительное удлинение и сужение, ударная вязкость) Холодная пластическая деформация сопровождается искажением кристаллической решетки металла — образованием новых дислокаций, дроблением зерен, их сплющиванием и удлинением в направлении наибольшего течения металла. В результате искажений кристаллической решетки и появления остаточных напряжений изменяются физико-химические свойства металла, например уменьшаются электро- и теплопроводность. В результате холодной деформации в металле возникают также преимущественная ориентировка (текстура) и анизотропия свойств, т. е. их неоднородность в зависимости от направления преимущественного течения металла. При неполной холодной пластической деформации с нагревом чистого металла до температур (0,25 ...0,30) T_пл, где T_пл – абсолютная температура плавления, одновременно с процессом упрочнения металла возникает явление, называемое отдыхом или возвратом. Оно обеспечивает частичное снятие остаточных напряжений, небольшое восстановление пластических свойств и повышает сопротивление металла коррозии. При неполной горячей пластической деформации с нагревом чистого металла до температуры свыше 0,47T_плодновременно с процессом упрочнения протекает процесс рекристаллизации — зарождение и рост новых зерен взамен деформированных. После деформации в микроструктуре металла наблюдаются рекристаллизованные (равноосные) и нерекристаллизованные (вытянутые) зерна металла. При горячей пластической деформации, совершающейся при температуре, превышающей температуру рекристаллизации, в металле протекают одновременно процессы упрочнения и разупрочнения. Если за время деформации рекристаллизация произойдет полностью, то вызываемого упрочнением изменения свойств металла не произойдет. Скорость процесса разупрочнения, вызванного рекристаллизацией, значительно меньше скорости процесса упрочнения. В результате рекристаллизации металл в процессе горячей обработки несколько разупрочняется и стремится приобрести равноосную неориентированную структуру.

2. Мартенситное превращение, полиморфное превращение, при котором изменение взаимного расположения составляющих кристалл атомов (или молекул) происходит путём их упорядоченного перемещения, причем относительные смещения соседних атомов малы по сравнению с междуатомным расстоянием. Перестройка кристаллической решётки в микрообластях обычно сводится к деформации её ячейки, и конечная фаза мартенситного превращения может рассматриваться как однородно деформированная исходная фаза. Величина деформации мала (порядка 1—10 %) и соответственно мал, по сравнению с энергией связи в кристалле, энергетический барьер, препятствующий однородному переходу исходной фазы в конечную. Необходимое условие мартенситного превращения, которое развивается путем образования и роста областей более стабильной фазы в метастабильной, — сохранение упорядоченного контакта между фазами. Упорядоченное строение межфазных границ при малости барьера для однородного фазового перехода обеспечивает их малую энергию и высокую подвижность. Как следствие, избыточная энергия, необходимая для зарождения кристаллов новой фазы (мартенситных кристаллов), мала и при некотором отклонении от равновесия фаз становится сопоставимой с энергией дефектов, присутствующих в исходной фазе. Поэтому зарождение мартенситных кристаллов происходит с большой скоростью и может не требовать тепловых флуктуаций. Вследствие воздействия образовавшейся фазы на исходную фазу энергетический барьер для перемещения границы фаз существенно меньше, чем для однородного перехода; при небольших отклонениях от равновесия он исчезает — кристалл растет со скоростью порядка звуковой и без тепловой активации (превращение возможно при температурах, близких к абсолютному нулю).

3. Процесс первичной кристаллизации, формирование структуры Процесс первичной кристаллизации сварочной ванны аусте-нитного шва носит периодический характер. Сварной шов отличается чешуйчатым строением. Дендриты нижней чешуйки служат основой для роста дендритов следующей чешуйки. Обычно слой имеет четкое транскристаллитное строение. Наличие ферритной составляющей нарушает правильные столбчатые ряды Как и при первичной кристаллизации для полиморфных превращений необходимо переохлаждение или перегрев относительно равновесной температуры. По своему механизму это кристаллизационный процесс, осуществляемый путем образования зародышей (как правило, на границах зерен) и последующего их роста. В результате образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму. Скачкообразно изменяются все свойства: удельный объем, теплоемкость, теплопроводность, механические и химические свойства. В процессе первичной кристаллизации сварного шва желательно получить мелкозернистую структуру с незначительной химической неоднородностью. Металл с такой структурой обладает высокой прочностью и пластичностью. Мелкозернистое строение наплавленного металла можно получить при быстром охлаждении, т. е. при вторичной кристаллизации. Но это не всегда возможно. Быстрое охлаждение в интервале температур 200-=—300° С, особенно при сварке легированных сталей, может привести к частичной или полной закалке металла шва. В результате образования мартенсита, имеющего больший объем, чем перлит или феррит, в сварном шве возникают напряжения, которые могут привести к образованию трещин. Эти трещины называют холодными, так как они образуются при относительно низких температурах В процессе первичной кристаллизации, по линии АС, из жидкого сплава будут выделяться кристаллы твердого раствора углерода в у-железе, т. е. аустенит. При содержании углерода в сплавах до 2,14 % (углеродистые стали) первичная кристаллизация закончится образованием однородного по составу аусте-нита. Для сплавов с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % (до-эвтектические чугуны) первичная кристаллизация закончитсяобразованием аустенита, при понижении температуры на линии ЕС образуются эвтектика, содержащая 4,3 % углерода, т. е. ледебурит, и вторичный цементит, который выделится из переохлажденного углеродом аустенита при температурах ниже 1147 °С — в процессе вторичной кристаллизации. В точке С при 1147 °С образуется эвтектика, содержащая 4,3 % углерода, т. е. ледебурит.[21, С.63] Особенность первичной кристаллизации этих сплавов заключается в том, что в них она заканчивается эвтектическим превращением при 1147°С, когда жидкость концентрацией 4,3%С дает две твердые фазы — аустенит (2,14%С) и цементит, т. е. образуется ледебурит. . г-[1, С.1 Скорость процесса первичной кристаллизации и характер формирования структуры материала при прочих равных условиях зависят от числа центров кристаллизации, возникающих в единицу времени и в единице объема, и скорости их роста, т.е. от скорости увеличения линейных размеров растущего кристаллика в единицу времени. Чем больше скорость образования центров кристаллизации и меньше скорость их роста, тем меньше размер зерна (кристаллика), выросшего из одного центра, и, следовательно, тем более мелкозернистой будет структура материала.[14, С.27] 

4. Способы закалки. 1. Закалка в одном охладителе (V₁).

Нагретую до нужной температуры деталь переносят в охладитель и полностью охлаждают. В качестве охлаждающей среды используют:

• воду – для крупных изделий из углеродистых сталей;

• масло – для небольших деталей простой формы из углеродистых сталей и изделий из легированных сталей.

Основной недостаток – значительные закалочные напряжения.

Термическая обработка металла. Термическая обработка металлов и сплавов. Виды термической обработки металлов. Виды термообработки.

2. Закалка в двух сферах или прерывистая (V₂).

Нагретое изделие предварительно охлаждают в более резком охладителе (вода) до температуры ~ 300⁰C и затем переносят в более мягкий охладитель (масло).

Прерывистая закалка обеспечивает максимальное приближение к оптимальному режиму охлаждения. Применяется в основном для закалки инструментов (см. Подкладной инструмент).

Недостаток: сложность определения момента переноса изделия из одной среды в другую.

3. Ступенчатая закалка (V₃).

Нагретое до требуемой температуры изделие помещают в охлаждающую среду, температура которой на 30 – 50^oС выше точки М_Н и выдерживают в течении времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению. Время изотермической выдержки не превышает периода устойчивости аустенита при заданной температуре.

В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли или металлы. После изотермической выдержки деталь охлаждают с невысокой скоростью.

Способ используется для мелких и средних изделий.

Отжиг стали. Отжиг второго рода. Полный отжиг. Неполный отжиг. Полный и неполный отжиг. Изотермический отжиг. Отжиг стали. Отжиг первого рода. Диффузионный отжиг. Отжиг рекристаллизационный. Отжиг для снятия напряжений.

4. Изотермическая закалка (V₄).

Отличается от ступенчатой закалки продолжительностью выдержки при температуре выше М_Н, в области промежуточного превращения. Изотермическая выдержка обеспечивает полное превращение переохлажденного аустенита в бейнит.При промежуточном превращении легированных сталей кроме бейнита в структуре сохраняется аустенит остаточный. Образовавшаяся структура характеризуется сочетанием высокой прочности, пластичности и вязкости. Вместе с этим снижается деформация из-за закалочных напряжений, уменьшаются и фазовые напряжения.

5. Строение металлов и сплавов.. Кристаллическое строение металлов. Изучением внутреннего строения и свойств металлов и сплавов занимается наука, называемая металловедением.Все металлы и сплавы построены из атомов, у которых внешние электроны слабо связаны с ядром. Электроны заряжены отрицательно и если создать незначительную разность потенциалов, то электроны направятся к положительному полюсу, образуя электрический ток. Этим и объясняется электропроводность металлических веществ.Все металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. В отличие от некристаллических (аморфных) тел, у металлов атомы (ионы) расположены в строго геометрическом порядке, образуя пространственную кристаллическую решетку. Взаимное расположение атомов в пространстве и расстояния между ними устанавливаются рентгеноструктурным анализом. Расстояние между узлами в кристаллической решетке называется параметром решетки и измеряется в ангстремах Å (10^-8 см). Параметры решетки различных металлов колеблются от 2,8 до 6 Å (рис. 23) Для наглядного представления о расположении атомов в кристалле используют пространственные схемы в виде элементарных кристаллических ячеек. Наиболее распространенными типами кристаллических решеток являются кубическая объемноцентрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная.В кубической объемноцентрированной решетке расположено девять атомов. Такую решетку имеют хром, вольфрам, молибден, ванадий и железо при температуре до 910° С.В кубической гранецентрированной решетке расположено 14 атомов. Такую решетку имеют: медь, свинец, алюминий, золото, никель и железо при температуре 910—1400° С. В гексагональной плотноупакованной решетке расположено 17 атомов. Такую решетку имеют: магний, цинк, кадмий и другие металлы.Взаимное расположение атомов в пространстве, количество атомов в решетке и междуатомные пространства характеризуют свойства металла (электропроводность, теплопроводность, плавкость, пластичность и т. д.).Расстояние между атомами в кристаллической решетке может быть различным по разным направлениям. Поэтому и свойства кристалла по разным направлениям не одинаковы. Такое явление называется анизотропией. Все металлы — тела кристаллические, поэтому они являются телами анизотропными. Тела, у которых свойства во всех направлениях одинаковые, называются изотропными.Кусок металла, состоящий из множества кристаллов, обладает в среднем свойствами, одинаковыми во всех направлениях, поэтому он называется квазиизотропным (мнимая изотропность).Анизотропность имеет большое практическое значение. Например, путем ковки, штамповки, прокатки в деталях получают правильную ориентацию кристаллов, в результате чего вдоль и поперек детали достигаются различные механические свойства. С помощью холодной прокатки добиваются высоких магнитных и электрических свойств в определенном направлении детали.

6. Критические точки стали. Фазовые превращения при нагреве. В ряде случаев это воздействие проводится в условиях, когда температура нагрева превышает критические точки стали. При последующем охлаждении формируется микроструктура, морфология которой зависит от скорости охлаждения и температуры нагрева. [1]Весь сортовой прокат ( поковки) разбивают на группы одинаковых режимов термической обработки с учетомкритических точек стали, типа С-образной кривой, веса деталей, требований, предъявляемых к готовой продукции. Обычно на заводах качественных сталей выпускаемый сортовой про-кат ( поковки) разделяют на шесть основных групп. [2]Описать принцип устройства примененного дилатометра и объяснить, какие особенности превращений позволяют использовать дилатометр для установления критических точек стали. [3]Легирующие компоненты по-разному влияют на фазовые превращения в стали и прежде всего на аллотропические превращения железа и критические точки стали. Все легирующие компоненты сдвигают критические точки А 3 ( ЭТОТ. С), связанные с аллотропическим превращением железа. [4]Положительное влияние никеля сказывается прежде всего на повышении прочности и вязкости феррита, увеличении прокаливаемости и понижении критических точек стали. [5]Основоположником металловедения является крупнейший русский ученый Д. К. Чернов ( 1839 - 1921 гг.), который, работая на Обуховском заводе, в 1868 г. сделал замечательное открытие критических точек стали и установил связь между ними и изменениями в структуре и свойствах стали. [6]Дилатометрический метод определения критических точек применяется, когда тепловой эффект фазовых превращений при критической температуре относительно невелик. Дилатометрический метод широко применяется при определении критических точек стали. [7Чернова за работой штампов на Монетном дворе послужили спустя много лет толчком к открытию им термической усталости разгара орудий. В 1866 г. Чернов был приглашен П. М. Обуховым на свой завод, где в 1868 г. Д. К. Чернов сделал свое замечательное открытие критических точек стали и установил связь между ними и изменениями в структуре и свойствах стали. [8]Структура металла в зоне термического влияния зависит от его химического состава, скорости охлаждения и длительности пребывания металла при соответствующих температурах, при которых происходит изменение микроструктуры и размера зерен. Если в доэвтектоидной стали получить нагревом аустенит ( рис. 115), а затем сталь охлаждать с различной скоростью, то критические точки стали снижаются. [9]

7. Влияние скорости охлаждения на превращения и структуру стали

Известно, что превращение одной фазы сплава в другую подчиняется закону кристаллизации Таммана: параметры процесса кристаллизации ЧЦК [1/м³с] и СК [м/с] зависят от степени переохлаждения Дt или скорости охлаждения V_охл. сплава в соответствии с рис.11.3. Здесь ЧЦК – число центров кристаллизации новой фазы, которые возникают в единице объёма исходной фазы за единицу времени; СК – скорость роста каждого центра. 1.   Рассмотрим вариант очень медленного охлаждения (с печью, т.е. при отжиге) – луч 01 (см. рис.11.2). В этом случае зёрна аустенита превращаются в зёрна перлита (А→П[Ф+Ц]). Это заключение следует из рассмотрения диаграммы «Fe–C», в соответствии с которой при медленном охлаждении аустенит превращается в перлит при 727°С. (см. рис.11.1б). Это превращение начинается в точке а и заканчивается в точке b «С» – образной диаграммы (см. рис.11.2). При этом содержание углерода в аустените составляет 0,8%, а в феррите перлита – 0,02% в соответствии с диаграммой «Fe–C» (см. рис.11.1б).Превращение состоит из двух частей и начинается с выделения из зёрен аустенита мельчайших пластин цементита – центров кристаллизации. По мере охлаждения эти центры растут, т.е. пластины увеличиваются. Образование и рост пластин цементита, в которых содержание углерода (6,67%) почти в 10 раз больше, чем в исходном аустените (0,8%), указывает на развитие диффузионного процесса в аустените. Этот процесс заключается в перемещении атомов углерода, обеспечивающего его повышенную концентрацию на дефектах кристаллической решётки аустенита и возникновение на этих дефектах зародышей цементита, а также их последующий рост.Описанную часть превращения называют диффузионной. Она приводит к тому, что содержание углерода в зёрнах аустенита уменьшается от 0,8% до 0,02%.Вторая часть превращения – бездиффузионная – заключается в перестройке кристаллической решётки аустенита в решётку феррита: кубической гранецентрированной в кубическую объёмно-центрированную. Бездиффузионное превращение, как известно, протекает без изменения химического состава фаз, участвующих в этом превращении. Поэтому концентрация углерода в феррите оказывается такой же, что и в аустените – она равна 0,02Рассмотренное превращение аустенита в перлит возможно представить символическим образом:

8. Классификация и маркировка серых чугунов, свойства. Нарисовать микроструктуры серых чугунов. Структура чугуна не оказывает влияние на пластичность, она остается чрезвычайно низкой. Но оказывает влияние на твердость. Механическая прочность в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций.

Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами. Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию.

Механические свойства металлов. Механические свойства сталей. Механические свойства сплавов.

В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок (ГОСТ 1412).

Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца – 0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %.

Структура металлической основы зависит от количества углерода и кремния. С увеличением содержания углерода и кремния увеличивается степень графитизации и склонность к образованию ферритной структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.

Диаграмма железо-графит. Диаграмма состояния железо-графит.

Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении — блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Классификация чугунов. Маркировка чугунов.

Обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на 10^-1 СЧ15.

9. Процессы, происходящие при нагреве деформированного металла, изменение свойств при нагреве. Деформированный металл по сравнению с недеформированным имеет повышенный запас энергии и находится в неравновесном, термодинамически неустойчивом состоянии. В таком металле даже при комнатной темпе­ратуре могут самопроизвольно протекать процессы, при­водящие его в более устойчивое состояние. Однако, если деформированный металл нагреть, то скорость этих про­цессов возрастает. Небольшой нагрев (для железа 300-400°С) ведет к снятию искажений кристаллической ре­шетки, но микроструктура остается без изменений, зерна по-прежнему вытянуты. Прочность при этом несколько; снижается, а пластичность повышается. Такая обработка называется возвратом или отдыхом.При дальнейшем повышении температуры подвижность атомов возрастает и среди вытянутых зерен идет интенсивное зарождение и рост новых равноосных сво­бодных от напряжений зерен. Зародыши новых зерен возникают в участках с наиболее искаженной кристаллической решеткой, с повышенным уровнем свободной энергии, термодинамически наименее устойчивых. Новые зерна растут за счет старых, вытянутых, до их столкно­вения друг с другом и до полного исчезновения вытя­нутых зерен. Это явление называется рекристалли­зацией (первичной).Рекристаллизация является диффузионным процес­сом и протекает неравномерно, одни зерна зарождаются и растут раньше, другие позднее. После рекристаллиза­ции металл состоит из новых равноосных зерен. Более высокий нагрев приводит к развитию собирательной ре­кристаллизации, т. е. к росту одних рекристаллизованных зерен за счет других, более мелких. Чем выше ­температура нагрева, тем интенсивнее идет собирательная рекристаллизация, так как с повышением температуры диффузионные процессы протекают быстрее и создают условия для образования крупнозернистого металла.

10. Закалка стали: цель, сущность, назначение Закалка - самый распространенный вид термической обработки. Закаливаются валы, шестерни, пружины, штампы, зубила, резцы, фрезы и другие изделия и инструменты. Столь широкое распространение этого вида термической обработки объясняется тем, что при помощи закалки и последующего отпуска можно изменить свойства стали в очень широком диапазоне. Были рассмотрены превращения, которые протекают в стали, имеющей структуру аустенита, при ее охлаждении с различной скоростью.Закалка стали основана именно на этих превращениях. Операция закалки состоит в том, что стальные изделия нагревают немного выше критических температур Aci, Асз а иногда и Аст и затем быстро охлаждают. В качестве охлаждающей среды применяют воду, масло и растворы солей. Целью закалки чаще всего является повышение твердости и прочности стальных изделий. При закалке имеют место понижение пластичности и вязкости стали, однако эти качества можно восстановить при последующем отпуске.Как известно из предыдущего, при увеличении скорости охлаждения аустенита можно получить структуры сорбита, троостита или мартенсита. При закалке, как правило, стремятся получить структуру мартенсита, которая обеспечивает максимальную твердость стали.Структуру сорбита или троостита более целесообразно получать путем отпуска закаленной стали. Закалка является наиболее сложным видом термической обработки, так как она протекает при очень больших скоростях охлаждения, что связано с образованием значительных внутренних напряжений в металле. Поэтому даже небольшие отклонения от установленных режимов обработки приводят к браку в изделии. Существенное влияние на результаты закалки оказывают температура нагрева и скорость охлаждения изделия.