2. Способы поверхностного упрочнения сталей.

Конструкционная прочность часто зависит от состояния материала в поверхностных слоях детали. Одним из способов поверхностного упрочнения стальных деталей является поверхностная закалка.

В результате поверхностной закалки увеличивается твердость поверхностных слоев изделия с одновременным повышением сопротивления истиранию и предела выносливости.

Общим для всех видов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева деталей. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева.

Наибольшее распространение имеют электротермическая закалка с нагревом изделий токами высокой частоты (ТВЧ) и газопламенная закалка с нагревом газово-кислородным или кислородно-керосиновым пламенем.

Способы: Закалка ТВЧ, газопламенная закалка, старение, обработка стали холодом, упрочнение методом пластической деформации.

3. Композиционные материалы. Волокнистые и дисперсно-упрочняемые.

Композиционные материалы (КМ) по удельным прочности и жесткости, прочности при высокой тем-ре, сопр-ию усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы. КМ придают по возможности форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей и даже отдельных узлов конструкции.

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей.

По форме наполнители разделяют на три основные группы (рис. 14.20, а): нуль-мерные (I), одномерные (Я), двумерные (5).

Нуль-мерными называют наполнители, имеющие в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы). Одномерные наполните­ли имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходя­щий их размер в третьем измерении (волокна). У двумерных наполните­лей два размера соизмеримы с размером КМ и значительно превосходят третий (пластины, ткань).

По форме наполнителя КМ разделяют на дисперсно-упрочненные, слоистые и волокнистые.

Дисперсно-упрочненными называют КМ, упрочненные нуль-мерными наполнителями; волокнистыми — КМ, упрочненные одномерными или одномерными и двумерными наполнителями; слоистыми — КМ, упроч­ненные двумерными наполнителями.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

Структура и свойства

В дисперсно-упрочненных КМ наполнителями служат дисперсные частицы тугоплавких фаз-оксидов, нитридов, боридов, карбидов(Al2O3, SiO2, ВN, SiC и др.). К достоинствам тугоплавких соединений относят­ся высокие значения модуля упругости,. низкая плотность, пассивность к взаимодействию с материалами матриц, а таких, как оксиды алюминия и кремния, — большая распространенность в природе и невысокая стои­мость образующих их элементов. Дисперсно-упрочненные КМ в основном получают порошковой техно­логией, но существуют и другие способы, например метод непосредствен­ного введения наполнителей в жидкий металл или сплав перед разлив­кой.

Волокнистые композиционные материалы

Структура и свойства

В волокнистых КМ упрочнителями служат волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений (В, С, Аl2Оз, SiС и др.), а также проволока из металлов и сплавов (Мо, W, Ве, высоко­прочная сталь и др.). Для армирования КМ используют непрерывные и дискретные волокна диаметром от долей до сотен микрометров.

Билет №21

1.Сталь 20. Фазовые превращения при охлаждении в равновесное состояние. Структура. Свойства. Типичная ТО и типичное применение.

Назначение:

После нормализации или без термообработки крюки кранов, муфты, вкладыши подшипников и другие детали, работающие при температуре от -40 до 450°С под давлением, после ХТО - шестерни, червяки и другие детали, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины.

1–2 – первичная кристаллизация, образование аустенитной структуры

2–3 – охлаждение твердого сплава (превращений нет)

3–4 – вторичная кристаллизация; 3 – образование насыщенного твердого раствора углерода в Fe_. Понижение температуры приводит к диффузии избыточного углерода к граница зерен, в результате на границах образуются зоны с высоким содержание углерода, которые превращаются в Ц.

4–4' – эвтектоидное превращение А в П; 4' – конец превращения; t = 727° C =const .

Ниже 4' – остывание сплава, идет процесс третичной кристаллизации, Ц_III из феррита (теоретически).

2.Термическая обработка металлов и сплавов, не имеющих превращений в твёрдом состоянии. (Термическая обработка металлов и сплавов, не связанная с фазовыми превращениями.)

Соответствующие операции термической обработки являются разновидностями отжига: отжиг (нагрев) для уменьшения напряжений, рекристаллизационный отжиг, диффузионный отжиг (гомогенизация).

Нагрев для снаятия остаточных напряжений : для уменьшения ост напряж. Изделия нагревают. С повышением температуры предел текучести понижается, поэтому остаточные напряж вызывают пластическую деформацию и снижаются до уровня предела текучести металла при темпер-ре нагрева.

В стальных и чугунных деталях значительное снижение ост напряжений происходит в процессе выдержки при 450 градусах, после выдержки про 600 град, напряжения понижаются до очень низких значений.

Рекристаллизационный отжиг - нагрев деталей выше темп рекристаллизации. В процессе выдержки происходит главным образом рекрисатллизация. Цель – понижение прочности и восстановление пластичности дефор металла, получение определенной кристаллографической текстуры, создающей анизотропию свойств; и заданного размера зерна. (темперетура = 150 + темп-ра рекр-ции).

Диффузионный отжиг (гомогенизациия) – длительная выдержка сплавов при высоких темпер-х, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность тв раствора.

Внутрекристаллическая ликвация – сердцевина кристаллов обогощена тугоалавким компонентом сплава, а наружные части – компонентом, понижающим температуру плавления.

3.Высокопрочные сложно-легированные и мартенситностареющие стали. Основные легирующие компоненты, их назначение.

. Никель. Никель образует твердые растворы внутри легированных сталей, повышается прочность стали, ее устойчивость к высоким температурам (никель – сильный аустенизатор).

2. Хром. Если содержание в стали хрома больше 12%, то сталь – нержавеющая (при условии растворения хрома в кристаллической решетке железа). Хром – сильно карбидообразующий элемент. Из-за образования карбидов коррозионная стойкость стали может уменьшаться. В стали 12Х18Н10Т предотвращено образование карбидов хрома на зернах.

3. Вольфрам. Вольфрам повышает твердость и прочность стали. Сильно карбидообразующий элемент. Карбиды вольфрама устойчивы и действуют при температуре выше температуры применения. Вольфрам используют для изготовления инструментальных сталей.

4. Ванадий. Ванадий повышает устойчивость к циклическим нагружениям и высоким температурам.

5. Марганец. Марганец способствует повышению твердости и прочности, обеспечивает высокую вязкость сталей.

6. Кремний. Кремний – ферритизатор – повышает устойчивость феррита при высоких температурах, то есть такая сталь обладает хорошими электро-магнитными свойствами (феррит – сильный ферромагнетик). Стали с высоким содержанием кремния используются для изготовления сердечников для электроприборов.

Билет №22

Диаграмма состояния двойных сплавов с промежуточной фазой ?(постоянного состава AmBn). Её структурный и фазовый анализ с применением правила отрезков и правила концентраций. (5 билет в шпорах pdf)

abc – линия ликвидус; X_b – химический состав эвтектики.

adec – линия солидус.

df, eg – линии предельной растворимости в твердом состоянии.

альфа– ограниченный твердый раствор компонента А в компоненте В.

бета– ограниченный твердый раствор компонента B в компоненте А.

Применим правило отрезков для линий adf, fdeg и ceg. Для сплава состава x при температуре t_i (точка i). Две фазы: жидкость и -кристаллы: ; .

Для сплава x при температуре t_l (точка l). Две фазы альфа и бета: ; .

Для двухфазной области fdeg правило отрезков также работает. Изменение относительного количества и химического состава в этой области происходит за счет изменения растворимости компонентов друг в друге и соответствующих диффузионных процессов перераспределений внутри сплавов.

2.Распределение легирующих элементов в сплаве. Влияние легирующих элементов на свойства.

1. Никель. Никель образует твердые растворы внутри легированных сталей, повышается прочность стали, ее устойчивость к высоким температурам (никель – сильный аустенизатор).

2. Хром. Если содержание в стали хрома больше 12%, то сталь – нержавеющая (при условии растворения хрома в кристаллической решетке железа). Хром – сильно карбидообразующий элемент. Из-за образования карбидов коррозионная стойкость стали может уменьшаться. В стали 12Х18Н10Т предотвращено образование карбидов хрома на зернах.

3. Вольфрам. Вольфрам повышает твердость и прочность стали. Сильно карбидообразующий элемент. Карбиды вольфрама устойчивы и действуют при температуре выше температуры применения. Вольфрам используют для изготовления инструментальных сталей.

4. Ванадий. Ванадий повышает устойчивость к циклическим нагружениям и высоким температурам.

5. Марганец. Марганец способствует повышению твердости и прочности, обеспечивает высокую вязкость сталей.

6. Кремний. Кремний – ферритизатор – повышает устойчивость феррита при высоких температурах, то есть такая сталь обладает хорошими электро-магнитными свойствами (феррит – сильный ферромагнетик). Стали с высоким содержанием кремния используются для изготовления сердечников для электроприборов.

3.Износ. Критерии оценки. Способы повышения стойкости. Материалы, устойчивые к образивному изнашиванию. Устойчивые материалы для работы в условиях больших давлений и ударных нагрузок. Стали с высокой контактной выносливостью.

Износостойкость – свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию.

Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения.

Результат изнашивания называется износом.

t= Δh/v

t –время

Δh - заданный износ

V – скорость изнашивания.

Работоспособность материалов в условиях трения зависит от 3 групп факторов:

Внутреннех, определяемых св-вами материала

Внешние, характеризующие вид трения (скольжения, качения). И режим работы

Рабочие среды и смазочный материал.

Способы повышения стойкости: правильный подбор материала рабочих деталей (в подшипниках это тв матрица + мягкие частицы. И наоборот: мякая матрица и тв частицы) Тверд фаза обеспечивает износостойкость, а мягк фаза обеспечивает прирабатываемость.

Износостойкость пра абразивном изнашивании чистых металлов пропроционально твердости: ε=bHB (b коэф.ε – относит удлнинение. )

Карбидные сплавы - применяют при наиболее тяжелых условиях работы.

Для деталей, работающих в условиях больших ударных нагрузках применяют материалы с повышенным содержанием марганца:

370Х7Г7С или аустенитной матрицей 110Г13.

Низко- и среднеуглеродистые стали с различными видами поверхностного упрочнения применяют для более легких условий изнашивания.