Материаловедение (куча курсачей) / 30-50

30. Жаростойкие и жаропрочные стали.

Повышение окалиностойкости достигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т. е. элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Сг, Fe)₂O₃, (Al, Fe)₂O₃. Введение в сталь 5—8 % Сг повышает окалиностойкость до 700—750 °С; увеличение содержания Сг до 15—17 % делает сталь окалиностойкой до 950—1000 °С, а при введении 25 % Сг сталь остается окалиностойкой до 1100°С. Легирование сталей с 25 % Сг алюминием в количестве 5 % повышает окалиностойкость до 1300°С. Окалиностойкость зависит от состава стали, а не от ее структуры. В связи с этим окалиностойкость (жаростойкость) ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова.

Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Жаропрочные стали и сплавы применяют для изготовления многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет и т.д., работающих при высоких температурах.

Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью.

Жаропрочные стали благодаря сравни­тельно невысокой стоимости (по сравнению со стоимостью других жаропрочных сплавов) широко применяют в высокотемпературной технике. Рабочие температуры жаропрочных сталей 500—750 °С. При температурах до 600 °С чаще используют стали на основе α-твердого раствора, а при более высоких температурах — стали на основе аустенитной структуры, обладающие более высокой жаропрочностью.

31. Влияние легирующих эл-тов на чугун.

Сплав железа с углеродом (>2,14 % С) называют чугуном. При­сутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава.

Структура чугуна в отлив­ках зависит в первую очередь от химического состава (содержания углерода и кремния) и скорости кристаллизации.

Кремний способствует процессу графитизации, действуя в том же направлении, что и замедление скорости охлаждения. Измененяя, с одной стороны, содержание в чугуне углерода и крем­ния, а с другой — скорость охлаждения, можно получить различ­ную структуру металлической основы чугуна. Чем больше в чугуне кремния, тем полнее протекает графитизация. Чем больше в чугуне угле­рода, тем меньше требуется кремния для получения заданной структуры.

Количество марганца в чугуне не превышает 1,25—1,4 %. Марганец препятствует графитизации, т. е. затрудняет выделение графита и повышает спо­собность чугуна к отбеливанию — появлению, особенно в поверх­ностных слоях, структуры белого или половинчатого чугуна. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики.

Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень изолированности их, тем выше прочность чугуна.

32. Коррозионно-стойкие стали.

Составы сталей, устойчивых к электрохимической коррозии, устанавливают в зависимости от среды, для которой они предназначаются. Эти стали можно разделить на два основных класса: хромистые, имеющие после охлаждения на воздухе ферритную, мартенситно-ферритную (феррита более 10 %) или мартенситную структуру, и хромоникелевые, имеющие аустенитную, аустенитно-мартенситную или аустенитно-ферритную (феррита более 10%) структуру.

Коррозионная стойкость стали повышается термической обра­боткой: закалкой и высоким отпуском и созданием шлифован­ной и полированной поверхности.

Стали 12X13 и 20X13 применяют для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагруз­кам (клапанов гидравлических прессов, предметов домашнего обихода), а также изделий, испытывающих действие слабоагрес­сивных сред (атмосферных осадков, водных растворов солей ор­ганических кислот и т. д.).

Стали 30X13 и 40X13 используют для карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т. д

. 38. Легированные чугуны.

Легирование – введение в процессе выплавки в состав чугуна (чаще серого) хрома, никеля, титана, молибдена и других легирующих элементов. Легированием достигается улучшение прочностных и эксплуатационных хар-к чугуна или придание ему особых св-в: износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионной стойкости, немагнитности и др. В зависимости от степени легирования легированные чугуны делятся на низколегированные – до 2.5 % легирующих элементов, среднелегированные – от 2.5 до 10 %, высоколегированные – свыше 10 %.

42. Способы закалки

Наиболее широко применяют закалку в одном охладителе. Такую закалку называют непрерывной. Другие способы закалки:

Прерывистая закалка (в двух средах). Изделие, закаливаемое по этому способу, сначала быстро охлаждают в воде до темпера­туры несколько выше точки М_н, а затем быстро переносят в менее интенсивный охладитель (например, в масло или на воздух), в котором оно охлаждается до 20 °С. В результате переноса во вторую закалочную среду уменьшаются внутренние напряжения, которые возникли бы при быстром охлаждении в одной среде (воде).

Закалка с самоотпуском. В этом случае охлаждение изделия в закалочной среде прерывают, с тем чтобы в сердцевине изде­лия сохранилось еще некоторое количество теплоты. Под дей­ствием теплообмена температура в более сильно охлаждающихся поверхностных слоях повышается и сравнивается с температурой сердцевины. Тем самым происходит отпуск поверхности стали (самоотпуск).

Ступенчатая закалка. Сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки M_н (обычно 180—250 °С), и выдерживают в ней сравнительно короткое время. Затем изделие охлаждают до нормальной темпе­ратуры на воздухе.

Изотермическая закалка. Выполняют так же, как и ступенчатую, но в данном случае предусматривается более длительная выдержка выше точки М_н. При такой выдержке происходит распад аустенита с об­разованием нижнего бейнита.

Обработка стали холодом. В закаленной стали, особенно со­держащей более 0,4—0,5 % С, у которой точка М_н лежит ниже нуля, всегда присутствует остаточный аустенит. Аустенит понижает твердость, износостойкость и нередко приво­дит к изменению размеров деталей, работающих при низких тем­пературах, в результате самопроизвольного превращения его в мартенсит.

Для уменьшения количества остаточного аустенита в закален­ной стали применяют обработку холодом, заключающуюся в ох­лаждении закаленной стали до температур ниже нуля.

(М_{н –} температура мартенситного превращения)

Закалка — термическая обработка— заключается в на­греве стали до температуры выше критической (A₃ для доэвтектоидной и А₁ — для заэвтектоидной сталей) или температуры рас­творения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Критич. скорость охлаждения – min скорость при которой весь аустенит переходит в мартенсит.

43. Отпуск

Отпуск заключается в нагреве закаленной стала до температур ниже Ас3, выдержке при заданной температуре и по­следующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства.

Низкий отпуск 250 °С. При этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повы­шается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости.

Средний отпуск 350— 500 °С. Применяют для пружин и рессор, штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали после среднего отпуска — троостит отпуска; твердость стали 40—50 HRC. Высокий отпуск 500-650 °С. Структура стали после высокого отпуска — сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Твердость 25-30 HRC. (валы, шатуны, коленвалы)

Улучшение - закалка с высоким отпуском.

Прокаливаемость – способность стали закаливаться на определенную глубину.

34. Ковкий чугун (КЧ).

КЧ – чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Такой чугун получают в отливках, изготовленных из белого доэвтектического чугуна и подвергнутых последующему графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, образуя при этом графит хлопьевидной формы. Мех. св-ва ковкого чугуна опред-ся структурой Ме-кой основы, количеством и степенью компактности включений графита. Из отливок ковкого чугуна изготовляют детали, работающие при ударных и вибрационных нагрузках. Ковкий чугун применяют главным образом для изготовления тонкостенных деталей

37. Технология производства чугуна.

Основной смысл доменных печей: избыточный углерод и примеси, путем окислительно-восстановительных реакций, выводим из железо- углеродистых сплавов. 1) Измельчение (щековая и валковая дробилки). 2) Обогащение (промывка, магнитная сепарация). 3) Окуксование

50 Цементация

Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насы­щении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответ­ствующей среде — карбюризаторе. Проводят при температурах выше точки Ас₃ (930—950 °С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в большом количестве. Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации.

Назначение цементации и последующей термической обработ­ки — придать поверхностному слою высокую твердость и износо­стойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении.

Для цементации обычно используют низкоуглеродистые (0,1—0,18%С), чаще легированные, стали.

44. Дефекты

1.Трещины: возрастают с увеличением углерода, температуры закалки и скорости охлаждения; концентрация нормальных напряжений

2. Деформация

3. Корабление

4. Недостаточная твердость

5. Повышенная хрупкость

6. Обезуглероживание

8. Окисление поверхности.

46. Термическая обработка чугунов

Нормализация 850-950^оС выдержка 1-3 ч; цель: повышенная НВ, σ_в, износостойкость.

Отжиг: для получения КЧ из БЧ; смягчающий; для снятия внутр. напряжений.

ВТП (900-950 ^оС) служит для устранения поверхностного отбела у СЧ. Цель: распад Ц на графит; понижается НВ

НТП (650-750 ^оС) повышение σ_в , частично или полностью распадается перлит.

Отжиг для снятия внутренних напряжений. Цель: стабилизация линейных размеров; снижение трещин; искусственное старение (без изменяющегося структурного превращения)

Закалка: объемно-непрерывная, изотермическая поверхностная.

Отпуск (250-600^оС). Цель: уменьшение НВ, увеличение пластичности и упругости и уменьшение закалочных напряжений

47. Оборудование при ТО

Оборудование термических цехов машиностроительных заводов делится на 3 группы:

1. Основное оборудование (печи, охлаждающие устр-ва, закалочные прессы, оборудования для обработки холодом и т.д.)

2. Дополнительное оборудование (моечные машины, правильные прессы, травильные ванны, пескоструйные и дробеструйные аппараты)

3. Вспомогательное оборудование (установки для получения контролируемых атмосфер, мостовые и поворотные краны, транспортные устр-ва)

48. Термомеханическая обработка стали

Термомеханическая обработка (ТМО) заключается в со­четании пластической деформации стали в аустенитном состоянии с закалкой.

Различают два основных способа термомеханической обра­ботки.

По первому способу, называемому высокотемпературной тер­момеханической обработкой (ВТМО), сталь деформируют при тем­пературе выше Ас₃,при которой сталь имеет аустенитную структуру. Степень деформации составляет 20—30 % (при большей деформации развивается рекристаллизация, сни­жающая механические свойства). После деформации следует не­медленная закалка во избежание развития рекристаллизации.

По второму способу называемому низкотемпературной термомеханиче­ской обработкой (НТМО), сталь деформируют в температурной зоне существования переохлажденного аустенита в области его относительной устойчивости (400—600 °С); температура деформа­ции должна быть выше точки М_н, но ниже температуры рекри­сталлизации. Степень деформации обычно состав­ляет 75—95 %. Закалку осуществляют сразу после деформации.

После закалки в обоих случаях следует низкотемпературный отпуск (100—300 °С). Такая комбинированная ТМО позволяет получить очень высокую прочность при хорошей пластичности и вязкости.

41. Охлаждение. Закаливаемость

Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита (А) при более низких темпер-х, что повышает дисперсность Ф-Ц стр-ры и увеличивает кол-во перлита (П). Это повышает прочность и твердость нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с оттожженной.

Закаливаемость – способность стали повышать твердость в рез-те закалки. Она определяется содержанием в стали углерода. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость

33. Серый чугун. Антифрикционные СЧ

Серым наз-ся чугун, в к0ром часть или весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита, имеющего в плоскости микрошлифа форму прямолинейных или изогнутых пластин, а также разветвленных розеток с пластинчатыми лепестками. В СЧ кроме железа и углерода содержится кремний, а также марганец сера и фосфор, как неизбежные примеси. Графит придает излому чугуна темно-серый цвет. В машиностроении наиболее широкое применение получили доэвтектические чугуны, содержащие 2.4-3.8% углерода. С повышением содержания углерода графита образуется больше, что снижает мех. св-ва чугуна.

Антифрикц. чугуны(АЧ) обладают низким коэф. трения и удовлетворительной стойкостью против износа. Применяются для подшипников, втулок в качестве заменителей бронзы при легких условиях работы. В зависимости от марки АЧ имеют перлитную, перлитно-ферритную и ферритно-перлитную, и аустенитную металлическу. основу.

35. Высокопрочные чугуны (ВЧ)

Высокопрочными называют чугуны с шаровидным графитом, который образуется в литой структуре в процессе кристаллизации.

ВЧ получают модифицированием жидкого чугуна присадками магния, церия, кальция, иттрия и других элементов. Отливки из высокопрочного чугуна широко используют в различных отраслях народного хозяйства: в автостроении и дизеле-строении для коленчатых валов, крышек цилиндров и других деталей. Высокопрочные чугуны применяют и для изготовления деталей станков, кузнечно-прессового оборудования, работающих в подшипниках и других узлах трения при повышенных и высоких давлениях (до 1200 МПа).

39. Области температур при термич. обработке.

отжиг I рода (при температурах выше или ниже температур фазовых превращений (критических точек А₁ и А₃).

Этот вид обработки в зависимости от температурных условий его выполнения устраняет химическую или физическую неоднородность, созданную предшествующими обработками.

Высокий отпуск - для снижения твердости сортовой прокат подвергают высокому отпуску при 650—700 °С (несколько ниже точки ai) в течение 3—15 ч.

Отжиг для снятия остаточных напряжений. проводят при температуре 160—700 °С.

Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше точек Ac_t или Ас₃, выдержке и, как правило, последую­щем медленном охлаждении.

Изотермический отжиг состоит обычно в на­греве легированной стали, и в сравни­тельно быстром охлаждении до температуры, лежащей ниже точки A1 (обычно 660—680 °С). ). При этой температуре назначают изотермическую выдержку 3—6 ч, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.

Нормализация заключается в на­греве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас₃ на 40—50 °С, заэвтектоидной стали до температуры выше точки А_ст также на 40—50 °С, в непродолжительной вы­держке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждений на воздухе.

49. Поверхностная закалка стали ТВЧ

При поверхностной закалке на некоторую глубину закаливается только поверхностный слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной. Частота 66 кГц Основное назначение – повышение твердости, износостойкости и предела выносливости изделия. Сердцевина остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. Индукционный нагрев происходит вследствие теплового действия тока, индуктируемого в изделие, помещенном в переменное магнитное поле. Для нагрева изделие устанавливают в индуктор. Переменный ток, протекая через индуктор, создает переменное магнитное поле. В рез-те явления индукции в поверхностном слое возникают вихревые токи и в слое обрабатываемого изделия происходит выделение джоулевой теплоты.

1 первичная обмотка; 2 трансформатор; 3 индуктор; 4 закаливаемая деталь; 5 спрейер – охлаждает деталь

40. Отжиг и нормализация

отжиг I рода в зависимости от исходного состояния стали и температуры его выполнения может включать процессы гомогенизации, рекристаллизации, снижения твердости и снятия остаточных напряжений. отжиг I рода про­водят при температурах выше или ниже температур фазовых превращений (критических точек А₁ и А₃).

Этот вид обработки в зависимости от температурных условий его выполнения устраняет химическую или физическую неодно­родность, созданную предшествующими обработками.

Диффузионному от­жигу (гомогенизация) подвергают слитки легированной стали с целью уменьше­ния дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хруп­кому излому, к анизотропии свойств и возникновению де­фектов.

Дендритная ликвация понижает пластичность и вязкость ле­гированной стали.

Под рекристаллизационным отжигом понимают нагрев холоднодеформированной стали выше температуры начала рекристаллизации, выдержку при этой температуре с последующим охлаждением. Этот вид от­жига чаще применяют как промежуточную операцию для снятия наклепа между операциями холодного деформирования.

Отжиг для снятия остаточных напряжений. Этот вид отжига применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обра­ботки резанием и др., в которых в процессе предшествующих тех­нологических операций из-за неравномерного охлаждения, не­однородной пластической деформации и т. п. возникли остаточ­ные напряжения.

Отжиг II рода заключается в нагреве стали до темпера тур выше точек Ac_t или Ас₃, выдержке и, как правило, последую­щем медленном охлаждении. Понижая прочность и твердость, отжиг облегчает обработку, резание средне- и высокоугле­родистой стали. Отжиг способ­ствует повышению пластичности и вязкости по сравнению со свойствами, полученными после литья, ковки и прокатки. Различают следующие виды отжига: полный, изотермиче­ский и неполный.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30—50 °С выше температу­ры, соответствующей точке Ac_s, выдержке при этой температу­ре для полного прогрева и завер­шения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении.

Изотермический отжиг состоит обычно в на­греве легированной стали, и в сравни­тельно быстром охлаждении до температуры, лежащей ниже точки A1 (обычно 660—680 °С). При этой температуре казна чают изотермическую выдержку 3—6 ч, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе. Одно преимущество изотермического отжига — в сокращении длительности процесса.

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагре­вают до более низкой температуры (немного выше точки А1).

Нормализация заключается в на­греве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас₃ на 40—50 °С, заэвтектоидной стали до температуры выше точки А_ст также на 40—50 °С. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую струк­туру, полученную при литье при прокатке, ковке или штамповке. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств сталь­ных отливок вместо закалки и отпуска.