Билет №1

1. Диаграмма состояния железо-углерод. Структуры и фазы в системе Fe-C. Влияние углерода и примесей на свойства стали.

Железо: Тпл=1539ºС, две модификации Feα c ОЦК-решёткой, а=0,286 нм, существует до 910ºС и Feγ существует в диапазоне 910..1392ºС. Железо ферромагнитно при температурах ниже 768ºС (точка Кюри).

Углерод: элемент IV группы таблицы Д.И. Менделеева, с железом образует твердые растворы внедрения и химическое соединение Fe3C.

Фазы: жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит, графит.

Феррит – твердый раствор углерода в Feα.

Аустенит – твердый раствор углерода в Feγ.

Цементит – Fe3C (6,67% С) – карбид железа, решетка сложная ромбическая, высокая твердость, хрупок, Т_пл=1250˚С. Цементит - метастабильная фаза, при высокой температуре разлагается на железо и графит.

Графит – углерод в твердом состоянии. Графит – стабильная фаза, плотность - 2,5 г/см³, решетка гексагональная, слоистая, анизотропен, низкая твердость и прочность, высокая химическая стойкость. Графит присутствует в качестве самостоятельной фазы в серых чугунах.

Основные критические точки и линии диаграммы (рис. 19):

точка А – температура плавления чистого железа 1539°С;

точка D – температура плавления цементита 1250°С;

точка G – 910°С (А₃) – температура полиморфного α↔γ превращения железа;

точка N – 1392°С (А₄) – температура полиморфного γ↔δ превращения железа;

ABCD – линия ликвидус;

AJECF – линия солидус;

ES – линия переменной растворимости углерода в аустените;

PQ – линия переменной растворимости углерода в феррите;

точка Е – предельная растворимость углерода в аустените (2,14% С);

точка Р – предельная растворимость углерода в феррите (0,02% С);

Превращения при охлаждении сплавов:

Рис. 19. Диаграмма состояния железо-цементит (метастабильная)

. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Чем больше содержание углерода в стали, тем выше её прочность и твёрдость, а пластичность и вязкость ниже (рис. 25). При содержании С>0,8% прочность падает из-за образования по границам зёрен хрупкой цементитной сетки (см. рис. 20 з).

Постоянные примеси попадают в сталь в процессе выплавки.

Полезные примеси: Mn от 0,3 до 0,8% и Si до 0,4%. Кремний повышает предел текучести, но снижает пластичность, марганец повышает прочность, не снижая пластичности.

Вредные примеси: сера, фосфор и газы (О₂, Н₂, N₂). Сера вызывает красноломкость – разрушение металла при горячей обработке давлением (1000…1200˚С). Марганец связывает серу в более тугоплавкое соединение MnS, предупреждая красноломкость. Фосфор способствует хладноломкости стали, каждая 0,01% Р повышает порог хладноломкости на 20…25˚С. Газы охрупчивают сталь.

1. Виды и назначение отпуска закаленной стали. Температуры нагрева для отпуска, получаемые структуры и свойства.

Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже А_С1, выдержка и охлаждение. Цель отпуска – получение окончательной структуры и свойств стали.

Характеристика видов отпуска

Виды отпуска	Температура, °С	Структура	Свойства	Применение
Низкий	150…250	Мотп	HRC, σв	Инструмент, подшипники, детали после ХТО и ТВЧ
Средний	350…500	Тотп	σупр, σ-1	Рессоры, пружины
Высокий	500…680	Сотп	КС	Валы, оси, шатуны

1. Деформируемые алюминиевые сплавы, их состав, методы упрочнения.

Дуралюмины (Д1, Д3, Д6, Д16 и т.п.) – сплавы системы Al-Cu. Основным легирующим элементом является медь. Сплав Д1 содержит 3,8…4,8%Cu, 0,5…1,5% магния, ~0,5% марганца. Согласно диаграмме Al-Cu (рис. 46) в сплавах образуются следующие фазы:

• α – твердый раствор меди в алюминии, максимальная растворимость Cu в Al составляет 5,7%;

• θ –твердый раствор на основе химического соединения СuAl₂, содержащего 54,1%Cu.

Структура сплава Д1 в равновесном состоянии (после литья) α + θ_II, причем частицы θ_II располагаются по границам зерен и охрупчивают сплав (рис. 47 а).

Рис. 46. Диаграмма состояния Al – Cu

Для упрочнения дуралюминов проводится термическая обработка: закалка + старение. Закалка заключается в нагреве до температуры ~ 500°С, при которой хрупкая избыточная θ_II-фаза полностью растворяется в α-твердом растворе, быстрое охлаждение фиксирует структуру пересыщенного твердого раствора меди в алюминии

Для повышения прочности закаленного сплава проводят старение. Старение – это упрочнение закаленного сплава за счет распада пересыщенного твердого раствора и выделения избыточных вторичных фаз в мелкодисперсном виде (дисперсионное твердение).

Естественное старение заключается в выдержке закаленного сплава при комнатной температуре 5…7 суток. Искусственное старение заключается в выдержке при повышенной температуре 100…200°С в течение 10…24 часов.

Задача: 12ХН3А(0,12%- углерод, 1%- хром, 0,3%- никель, А – высококачественная) Структура сердцевины – мартенсит, низкоуглеродистый.

ТО: цементация + закалка + низкий отпуск

Билет № 2

1. Критические точки железа и стали в диаграмме Fe-C. Явление полиморфизма. Влияние легирующих элементов на критические точки А₃, А₄.

Полиморфизм – это свойство металла иметь разные кристаллические решетки (полиморфные модификации) при разных температурах. Полиморфизм присущ многим металлам, например, Fe_α имеет ОЦК-решетку, Fe_γ – ГЦК, Ti_α – гексагональную, Ti_β – ОЦК и т.д. Температура полиморфного превращения чистых металлов постоянна: Fe_α↔Fe_γ – 910^оС; Ti_α↔Ti_β – 882 ^оС. Полиморфные модификации имеют разные свойства.

Основные критические точки и линии диаграммы (рис. 19):

точка А – температура плавления чистого железа 1539°С;

точка D – температура плавления цементита 1250°С;

точка G – 910°С (А₃) – температура полиморфного α↔γ превращения железа;

точка N – 1392°С (А₄) – температура полиморфного γ↔δ превращения железа;

ABCD – линия ликвидус;

AJECF – линия солидус;

ES – линия переменной растворимости углерода в аустените;

PQ – линия переменной растворимости углерода в феррите;

точка Е – предельная растворимость углерода в аустените (2,14% С);

точка Р – предельная растворимость углерода в феррите (0,02% С)

Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа

Легирующие элементы влияют на точки полиморфного превращения железа (А₃ и А₄), изменяя области существования феррита и аустенита. Различают две группы легирующих элементов: α- и γ-стабилизаторы (рис.26).

К α-стабилизаторам относятся элементы с ОЦК решёткой: Cr, Mo, W, V, Nb. Они повышают температуру _А3 и понижают А₄, расширяя область α-твёрдого раствора (рис. 26 а). При концентрации α-стабилизатора больше Х сплавы Fe-ЛЭ не испытывают полиморфного превращения и имеют структуру легированного феррита.

К γ-стабилизаторам относятся элементы с ГЦК решёткой: Mn, Ni, Cu и др. Они снижают температуру и повышают А₄ расширяя область γ-твёрдого раствора (рис. 26 б). Сплавы, с концентрацией γ-стабилизатора больше Y имеют структуру легированного аустенита.

а)

б)

Рис. 26. Влияние легирующих элементов на точки полиморфного превращения железа: а – -стабилизаторы, б – -стабилизаторы

1. Улучшение и нормализация. Режимы. Получаемые структуры и свойства.

Нормализация

Нормализация – это нагрев доэвтектоидных сталей на 40…50 °С выше А_С3, заэвтектоидных – на 40..50°С выше А_Сm, выдержка и последующее охлаждение на спокойном воздухе (Рис.38, 40).

Рис. 40. «Стальной угол» диаграммы состояния Fe-Fe₃C с нанесенными температурами нагрева при нормализации

При нагреве происходит полная фазовая перекристаллизация, в результате охлаждения получают высокодисперсные феррито-цементитные смеси. Структуры:

• доэвтектоидных сталей - С+Ф,

• эвтектоидной – С,

• заэвтектоидных – С+Ц_II.

После нормализации сталь имеет более высокую прочность, твёрдость, сопротивление хрупкому разрушению, по сравнению с отжигом.

Цель нормализации - устранение крупнозернистой структуры, полученной при предшествующей обработке (литье, горячей прокатке, ковке или штамповке, диффузионном отжиге). Нормализацию применяют:

• для низкоуглеродистых сталей - вместо отжига,

• для среднеуглеродистых – вместо закалки с высоким отпуском,

• для высокоуглеродистых (заэвтектоидных) – для частичного устранения цементитной сетки,

• для некоторых легированных сталей – вместо закалки.

7.2.1. Классификация сталей по структуре в нормализованном состоянии

Структура сталей после нормализации зависит от суммарного количества в них легирующих элементов (ƩЛЭ), которые сдвигают С-кривую вправо и снижают линии М_н и М_к (рис. 41).

а) б) в)

Рис. 41. Структурные классы сталей в нормализованном состоянии: а – перлитный, б – мартенситный, в – аустенитный

Структурные классы сталей в нормализованном состоянии:

1. Перлитный класс: ƩЛЭ<5%, структура – феррито-карбидные смеси, как правило сорбит пластинчатый;

2. Мартенситный класс: 5%<ƩЛЭ<13%, структура – мартенсит;

3. Аустенитный: ƩЛЭ≥13%, среди которых имеются γ-стабилизаторы структура - А_ЛЕГ.

Высоколегированные стали, не содержащие γ-стабилизаторов, после нормализации будут иметь ферритную или ледебуритную структуру.

Закалку с высоким отпуском (улучшение) – для деталей, работающих при повышенных динамических (ударных) и циклических нагрузках.

1. Алюминиевые сплавы. Их классификация, маркировка, структура и применение.

. Алюминий и его сплавы

Свойства алюминия:

• Т_пл=660 ºС;

• кристаллическая решетка ГЦК (не имеет полиморфного превращения);

• низкий удельный вес;

• высокая электро- и теплопроводность;

• высокая пластичность;

• высокая коррозионная стойкость вследствие образования на его поверхности пленки оксида Al₂O₃;

• высокие технологические свойства – легко обрабатывается давлением, хорошо сваривается.

Классификация алюминиевых сплавов:

1. Деформируемые сплавы:

• сплавы, не упрочняемые термической обработкой;

• сплавы, упрочняемые термической обработкой.

2. Литейные сплавы.

3. Порошковые сплавы.

. Порошковые алюминиевые сплавы

К этим сплавам относят материалы, получаемые методами порошковой металлургии:

• САП – спеченные алюминиевые порошки;

• САС – спеченные алюминиевые сплавы.

Спеченные алюминиевые порошки (САП) – это сплавы Al–Al₂O₃. Структура САП представляет собой алюминиевую матрицу с равномерно распределенными мелкодисперсными включениями Al₂O₃, которые обеспечивают дисперсионное упрочнение сплава.

Литейные алюминиевые сплавы

Типичными литейными алюминиевыми сплавами являются силумины – сплавы алюминия с кремнием (АК12, АК9, АК7). Диаграмма состояния системы Al–Si приведена на рис.50.

Рис. 50. Диаграмма состояния сплавов системы Al – Si

Распространенный силумин АК12 содержит 11…13% Si. В равновесном (литом) состоянии сплав является заэвтектическим и состоит из эвтектики (α+Si) крупноигольчатого строения и включений хрупких первичных кристаллов кремния

Применяют силумины для изготовления мелких (АК12), а также средних и крупных (АК9, АК7) литых деталей (корпусов компрессоров, картеров двигателей внутреннего сгорания, блоков цилиндров автомобильных двигателей).

Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термообработкой

К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц2), содержащие 1…1,6% Mn, и магнием (АМг2, АМг6), содержащие 2…7%Mg. Структура этих сплавов в равновесном состоянии - твердый раствор легирующих элементов в алюминии. Упрочняют сплавы путем пластической деформации (нагартовки).

Свойства:

• легко обрабатываются давлением;

• хорошо свариваются;

• обладают высокой коррозионной стойкостью;

• обработка резанием затруднена.

Применяются эти сплавы для изготовления строительных конструкций (витражи, двери, оконные рамы и т.д.), емкостей для жидкостей (баки для бензина), палубных надстроек речных и морских судов

Задача : ТО = З + средний отпуск. Структура Троостит отпуска

Углеродистая сталь(55, 60, 65…..) имеет низкую релаксационную стойкость

Билет № 3

1. Влияние пластической деформации на свойства сталей. Явление наклепа. Механизмы пластической деформации.

Механизмы пластической деформации:

• скольжение;

• двойникование;

• межзеренное перемещение (зернограничное скольжение).

Скольжение состоит в сдвиге одной части кристалла относительно другой путем последовательного перемещения дислокаций. В металлах с плотноупакованной решеткой (К12, Г12) кроме скольжения, возможно двойникование – зеркально симметричное смещение одной части кристалла относительно другой.

При пластической деформации поликристаллического металла, кроме того, происходит зернограничное скольжение, которое активизирует диффузию дислокаций, вакансий и межузельных атомов. Зерна удлиняются и дробятся, образуется волокнистая структура (рис.12).

При большой пластической деформации под влиянием внешних сил формируется текстура деформации – структура с преимущественной кристаллографической ориентировкой зёрен.

а)

б)

Рис. 12. Изменение формы зерна в металле под действием пластической деформации: до деформации (а) и после деформации (б)

В таком состоянии металл анизотропен, т.е. имеет различные свойства в разных направлениях.

Величину деформации характеризуют степенью пластической деформации e: , где Н₀ и Н – размер образца до и после деформации соответственно.

С увеличением степени пластической деформации прочность и твердость повышаются, а пластичность уменьшается (рис. 13). Упрочнение металла при пластической деформации называется наклепом. Упрочнение вызвано:

• увеличением плотности дислокаций r до 10¹¹…10¹² см^-2;

• искажением кристаллической решетки;

• дроблением зерен.

Рис. 13. Влияние степени пластической деформации на механические свойства металла

1. На диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита нанести кривые охлаждения при закалке, нормализации и отжиге. Описать характерные особенности каждой термообработки, получаемые структуры 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+Ц_II.

Нормализация – это нагрев доэвтектоидных сталей на 40…50 °С выше А_С3, заэвтектоидных – на 40..50°С выше А_Сm, выдержка и последующее охлаждение на спокойном воздухе

Закалка – нагрев доэвтектоидной стали на 30..50°С выше А_С3, заэвтектоидной - на 30..50°С выше А_С1, выдержка и последующее охлаждение со скоростью выше критической (Рис. 38, 42). Цель закалки – получение структуры мартенсита.

Структуры сталей после закалки:

• доэвтектоидных - М+А_ОСТ,

• эвтектоидной - М+А_ОСТ,

• заэвтектоидных – М+А_ОСТ+Ц_II.

Титан и сплавы на основе титана. Влияние легирующих элементов на структуру в равновесном состоянии. Применяемые методы упрочнения. Достоинства и недостатки титановых сплавов