Архив ZIP - WinRAR (2) / Материаловедение Экзамен / билет 15

1. Кристаллизация. Термодинамические условия кристаллизации. Влияние степени переохлаждения на размер зерна и ударную вязкость стали. Строение стального слитка.

Фазовое превращение, заключающееся в переходе из жидкого состояния в твердое (кристаллическое), называется кристаллизацией.

Термодинамические условия процесса кристаллизации

Для описания процессов фазовых превращений при нагреве или охлаждении используют диаграммы изменения термодинамического состояния системы (рис. 15).

При повышении температуры свободная энергия G (энергия Гиббса) любой системы понижается. Но понижение свободной энер­гии жидкого металла происходит быстрее, чем твердого. Поэтому термодинамически обусловлено, что жидкий металл устойчив при более высоких температурах, а твердый - при низких температурах. При температуре Т_р, когда свободные энергии металла в жидком и твердом состоянии равны (G* = G_T), одновременно существуют обе фазы - жидкая и твердая. Эта температура является равновесной температурой кристаллизации (плавления) данного металла. При этой температуре ни кристаллизации, ни плавления не происходит, так как отсутствует движущая сила такого процесса - разница свободных энергий жидкой и твердой фазы равна нулю: AG = G_ж - G_T = 0. Кристаллизация пойдет только при переохлаждении, когда свобод­ная энергия твердой фазы станет меньше свободной энергии жид­кой фазы (AG > 0). Каждому значению AG соответствует определен­ная фактическая температура кристаллизации Т_к, ниже равновес­ной. Разность температур AT = Т_р - Т_к называется степенью пере­охлаждения.

Зародыш минимального размера Rкр, устойчивый и способный к росту при данной степени переохлаждения – критический.(Rкр=2σ/∆G) Чем↑ степень переохлаждения , тем ↑∆G и ↓Rкр.При больших степенях переохлаждения усиливается тенденция образования. ∆G=-∆Gкр*V+Sσ, где V –объём, ∆Gкр -запас свободной энергии при переходе из жидк в твёрд сост, S-площадь поверхности раздела, σ-удельное поверхностное натяжение на границе жидкость-кристалл. Измельчение зерна приводит к повыш ударной вязкости .А при больших степенях переохлаждения усиливается тенденция к образованию большого числа мелких зародышей

Строение металлического слитка

Структура слитка, возникающая в результате затвердевания жидкого металла, обусловлена описанными выше закономерностя­ми процесса кристаллизации.

При затвердевании горячего металла кристаллизация начина­ется у стенок холодной формы (изложницы) и происходит первона­чально в тонком поверхностном слое жидкости, примыкающей к стенкам. Вследствие большого переохлаждения (высокой скорости охлаждения) по периметру слитка образуется зона мелких равно­осных кристаллов (зона 1 на рис. 20а). Далее в глубь слитка рас­положена зона столбчатых кристаллов (дендритов) (зона 2 на рис. 20а), которая образуется благодаря направленной кристалли­зации от периферии к центру слитка: дендриты растут в направле­нии теплоотвода перпендикулярно к стенкам изложницы. В цен­тральной части слитка может наблюдаться зона крупных равно­осных кристаллов (зона 3 на рис. 20а), образование которой свя­зано с выравниванием температуры (уменьшением степени переох­лаждения) и замедлением скорости кристаллизации.

В верхней части слитка образуется усадочная раковина - по­лость, не заполненная металлом (зона 4 на рис. 20а). Причина об­разования усадочной раковины - уменьшение объема при затвердевании стали. Усадочная раковина является дефектом слитка, как и газовые пузыри (зона 5 на рис. 20а) - округлые полости или ка­налы в литом металле, которые образуются при высокой концен­трации газов (0₂, СО, N₂, H₂), выделяющихся в период кристаллиза­ции вследствие резкого уменьшения их растворимости при перехо­де из жидкого в твердое состояние. Верхняя часть слитка, как наи­более дефектная, отрезается и идет на переплав.

При большой скорости охлаждения (например, в воде) может оказаться, что до сердцевины слитка будет наблюдаться направ­ленный отвод тепла, в этом случае крупных кристаллов не образу­ется, столбчатые кристаллы будут пронизывать всю толщину слитка (рис. 206). Такая структура называется транскристаллитной и допус­тима только для пластичных цветных металлов, так как в местах стыка столбчатых кристаллов, растущих от разных поверхностей, металл имеет пониженную прочность и при последующей обработке давлением в малопластичных металлах могут возникнуть трещины.

2. Виды и назначение отжига до- и заэвтектоидных сталей. Получаемые структура и свойства.

Цель отжига – получение равновесной структуры. Это достигается путем медленного охлаждения детали вместе с печью (рис. 38). Структуры сталей после отжига соответствуют равновесной диаграмме состояния (Fe-Fe3C):

доэвтектоидных - П+Ф,

эвтектоидной – П,

заэвтектоидных – П+ЦII.

Рис. 38. Диаграмма изотермического распада аустенита для эвтектоидной стали с нанесенными на нее скоростями охлаждения при различных видах термообработки

Виды отжига:

Рекристаллизационный отжиг проводится для снятия наклёпа. Температура нагрева сталей 650…700°С (Рис.39).

Отжиг для снятия остаточных напряжений (в отливках, сварных соединениях и др.) проводится при температуре 550..650°С.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) применяется для легированных сталей с целью устранения химической и структурной неоднородности, Тнагр= 1100..1200°С (Рис.39), выдержка 15..20 часов. После диффузионного отжига формируется крупнозернистая структура (П+Ф).

Полный отжиг проводится для доэвтектоидных сталей с целью получения мелкозернистой равновесной структуры с пониженной твёрдостью и высокой пластичностью и снятия внутренних напряжений. Полный отжиг проводится при температуре на 30..50°С выше линии АС3 (Рис.38), происходит полная фазовая перекристаллизация, структура – П+Ф, мелкозернистая. Полный отжиг заэвтектоидных сталей не применяется, так как приводит к образованию структуры П+ЦII с хрупкой цементитной сеткой.

Неполный отжиг доэвтектоидных сталей проводится при температуре на 10…30°С выше линии АС1 (Рис.39) с целью снизить твёрдость для улучшения обработки резанием. Происходит частичная перекристаллизация. Применяется вместо полного отжига, если не требуется измельчение зерна.

Для заэвтектоидных сталей назначается только неполный отжиг. Он проводится при температуре на 10…30°С выше линии АС1 (Рис.39) с целью получения зернистого перлита. Такой отжиг называется сфероидизирующим.

Изотермический отжиг применяется для легированных сталей и заключается в нагреве выше линии АС3, быстром охлаждении до 620…660°С с последующей изотермической выдержкой в течение 3…6 часов до полного распада аустенита с образованием сорбита пластинчатого. Далее ведут охлаждение на воздухе.

Рис. 39. «Стальной угол» диаграммы состояния Fe-Fe3C с нанесенными температурами нагрева при различных видах отжига

3. Расшифровать состав сплава АЛ2. Указать способ изготовления деталей из данного сплава и описать способ его упрочнения.

Упрочнение: Модифицирование металлов, введение в расплавленные металлы и сплавы модификаторов, небольшие количества которых резко влияют на кристаллизацию, например вызывают формирование структурных составляющих в округлой или измельченной форме и способствуют их равномерному распределению в основной фазе.

4. Выбрать сталь для изготовления подшипников качения. Назначить режим термической обработки, обосновать его, описать микроструктуру и свойства детали.

Подшипниковые стали поставляют после сфероидизирующего отжига со структурой мелкозернистого перлита. Высокая твердость сталей обеспечивается путем термической обработки, заключаю­щейся в закалке (820...850°С) в масле и низком отпуске (150...170°С). Окончательная структура подшипниковой стали -мелкоигольчатый мартенсит отпуска с включениями дисперсных карбидов. Твердость стали после термообработки - 60...62 HRC, предел прочности а_в = 2160...2550 МПа.

Для подшипников, работающих в агрессивных средах, приме­няют коррозионностойкую хромистую сталь ледебуритного класса 95X18, содержащую 0,95%С и 18%Сг. Для подшипников качения, работающих при высоких динамических нагрузках, применяют це­ментуемые стали 20Х2Н4А и 18ХГТ.