05 семестр / К экзамену-зачёту / Шпаргалки / ПОлный комплек

Билет 1,2 1)Фазы сплавов: твердые растворы и промежуточные фазы. Влияние химического

состава на свойства твердых растворов. Промежуточные фазы (электронные соединения, фазы Лавеса, фазы внедрения и т.д.) и их влияние на свойства сплавов.

Сплав - вещество, содержащее в своем составе два или более компонентов, по крайней мере, один из которых - металл.

Получают их с помощью спекания или сплавлением. Компонент - вещество, образующее сплав.

Фаза - однородная, отделенная поверхностью раздела часть металла или сплава, имеющая одинаковые состав, строение и свойства. Гомогенные вещества имеют одну фазу, а гетерогенные - несколько фаз.

Структура - строение металла, в котором можно различать отдельные фазы, их форму, размеры и взаимное расположение. Структура влияет на свойства.

Различные типы кристаллических сплавов. Твердые растворы - кристаллы, у которых один из компонентов образует собственную кристаллическую решетку, а второй присутствует в виде отдельных атомов, то есть собственной кристаллической решетки не имеет. Первый компонент называют растворителем, а второй - растворенным компонентом. Выделяют твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения. В твердых растворах внедрения - атомы растворенного вещества размещаются в кристаллической решетке растворителя, внедряясь между узлами.

1.растворенные вещества должны иметь малый атомный радиус (обычно это неметалл);

2.ограниченная растворимость;

Втвердых растворах замещения - атомы растворенного вещества замещают атомы

растворителя в узлах кристаллической решетки.

Особенности:

1.растворенное вещество такого же типа, как и растворитель (атомы близки по размеру);

2.часто имеют неограниченную растворимость;

Искажения решетки при образовании твердых растворов внедрения больше, чем при образовании твердых растворов замещения, поэтому у них более резко изменяются и свойства. По мере увеличения концентрации растворенного элемента в твердом растворе заметно возрастают электрическое сопротивление, твердость и прочность, но значительно понижаются пластичность и вязкость.

Промежуточная фаза - кристаллы, образованные различными элементами и имеющие собственный тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток, составляющих их элементов.

Фазы внедрения. Если отношение ЯНм/^м < 0,59, образуются промежуточные фазы с простыми пространственными решетками, в которых атомы неметалла располагаются в порах.

Фазы внедрения имеют кристаллические решетки (чаще всего плотно упакованные ГЦК иГП).

Химический состав фаз внедрения указывается формулами: МеХ, Ме2Х, Ме^Х, МеЛ^,

например: TiC, WC, МоС, Мо2С, W2С, Fe±N,ZrH4.

В фазах внедрения преобладает металлическая связь, чем и определяются такие свойства, как высокая электропроводимость, положительный коэффициент электросопротивления. Большинство фаз внедрения чрезвычайно тугоплавки и имеют высокую твердость, т.к. присутствует значительная доля в фазах внедрения ковалентной связи.

Карбиды. Янм/Дм > 0,59. Например, Fe3CfMnCfCr7C3

Карбиды и нитриды, относящиеся к фазам внедрения, присутствуют в структуре многих коррозионно-стойких, износостойких и жаропрочных конструкционных сталей. Отличаются высокой твердостью и хрупкостью, тугоплавки.

Электронные фазы. Для максимального содержания металла более высокой валентности характерно совершенно определенное значение электронной концентрации (отношение числа валентных электронов к числу атомов): 3/2, 21/13, 7/4. Данные фазы обозначаются соответственно /?,у, Ј. В большинстве сплавов -фазы имеют ОЦК решетку, у-фазы сложную кубическую решетку с 52 атомами в элементарной ячейке и Ј-фазы ГП решетку.

Механические свойства электронных соединений зависят в значительной мере от упорядоченности атомов компонентов в кристаллической решетке электронного соединения.

Фазы Лавеса. Это промежуточные фазы практически постоянного состава ЛВ2, образуются при взаимодействии металлов самых различных групп Периодической системы. При этом атомный радиус растворенного элемента В должен быть меньше, чем атомный радиус растворителя А на 20-30%.

Фазы Лавеса имеют упорядоченные сложные кубические или гексагональные решетки, в магнитном поле ведут себя как диамагнетики.

2)Конструкционные стали нормальной прочности: углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества и качественные стали. Состав, маркировка, упрочняющая обработка и применение.

Углеродистые стали обыкновенного качества. Допускается повышенное содержание вредных примесей, а так же газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями. Наиболее дешевые, технологичные и обладающие прочностью, достаточной для изготовления металлоконструкций различного назначения. Маркируются сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Степень раскисления обозначают в спокойных сталях - «сп», в полуспокойных - «пс», в кипящих - «кп». Для всех сталей, кроме СтО, справедлива формула: С(%)^0,07Хномер марки.

Концентрация марганца в стали Ст1 0,25-0,50%, в стали Стб 0,50-0,80%. Три марки стали производят с повышенным содержанием марганца(0,80-1,1%), на что указывает буква «Г» в маркировке: СтЗГпс, стЗГсп, Ст5Гпс.

Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: у кипящих - не более 0,05%, у полуспокойных - не более 0,15%, у спокойных - не более 0,30%.

Прокат подразделяют на 4 группы: сортовая сталь, листовая сталь, специальные профили и трубы.

Углеродистые качественные стали. Характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений Маркируются двухзначными числами: 08, 10, 15, 20,..., 60, обозначающими среднее

содержание углерода в сотых долях процента.

Спокойные стали маркируются без индекса, полуспокойные и кипящие соответственно

«пс» и «кп».

Содержание кремния: в кипящих сталях не более 0,30%, в полу спокойных 0,05 - 0,17%. Содержание марганца повышается по мере увеличения концентрации углерода от 0,25

до 0,80%.

Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на 2 подгруппы:

1.Малопрочные и высокопластичные.

2.Цементуемые - стали 15, 20, 25. Предназначены для деталей небольшого размера, от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностный слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском.

Среднеуглеродистые стали 30,..., 55 отличаются большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые. Их применяют после улучшения, нормализации и поверхностной закалки. В улучшенном состоянии - достигаются высокая ударная вязкость, пластичность и малая чувствительность к концентраторам напряжений.

Конструкционные стали идут на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений. Они должны обеспечивать длительную и надежную работу деталей и конструкций в условиях эксплуатации. Поэтому основное требование к конструкционным сталям — комплекс высоких механических свойств.

Билет 3 1)Диаграмма состояния двойных сплавов с неограниченной растворимостью

компонентов в твердом состоянии. Условия неограниченной растворимости. Правило концентраций и отрезков. Использование диаграмм состояния для определения свойств сплавов(правило Курнакова).

Полная взаимная растворимость в твердом состоянии возможна тогда, когда оба компонента имеют одинаковые кристаллические решетки и атомные диаметры компонентов мало отличаются по размерам. Такая диаграмма имеет простой вид и состоит из 2-х линий: ликвидус и солидус.

-нв,% Правила определения состава фаз (правило концентраций) и количественного соотношения фаз (правило отрезков): для определения концентрации компонентов в двух фазах через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения (а и Ь) на горизонтальную ось диаграммы покажут составы фаз (ха и хь). Отрезки коноды между точкой с и точками а и Ь, определяющими состав фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз: Жа/аь = be /ас.

Правило Курнакова: так как вид диаграммы, также как и свойства сплава, зависит от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава, то между ними должна существовать определенная связь.

2)Конструкционная прочность. Металлургические, технологические, конструкторские способы повышения конструкционной прочности.

Конструкционные материалы. Предназначены для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающихся механическим нагрузкам. Конструкционная прочность комплексная хар-ка, включающая сочетание критериев прочности, жесткости, надежности и долговечности. Критерии прочности материала:

1)Прочностные хар-ки: временное сопротивление (о;), предел текучести С о"02) 5 предел выносливости

2)Упругие хар-ки: модули упругости Е и G

Надежность свойство изделий, выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или сопротивление материала хрупкому разрушению.

Долговечность способность детали сохранять работоспособность до определенного состояния.

Характеристики надежности и долговечности:

1)Пластичность 5, \|/, ударная вязкость KCU, KCV, вязкость разрушения, порог хладноломкости,

2)Циклическая долговечность, скорость изнашивания, ползучести, коррозии. Способы повышения прочности:

Металлургические, технологические, конструкционные.

Металлургические - повышение чистоты Me, удаление вредных примесей (S, Р, газообр. эл-тов - О, Н, N, оксидов, сульфидов) - переплав, рафинирование и др. Методы упрочнения: легирование, пластическая деформация, термическая, термомеханическая и химико-термическая обработка.

Легирование - карбидообр. эл-ты (Ni, V, Mo, Сг) образуют карбиды при выплавке, задерживают рост зерна при нагреве под закалку в аустените, влияют на мартенсит при высоком отпуске: 1) Задерживают выделение цементита, 2) затрудняют распад мартенсита. Некарбидообр. эл-ты (Si, Ni, Mn, Al, Си) замедляют диффузию.

Все лег. эл-ты в феррите обазуют твердорастворное упрочнение по типу замещения, атомы внедрения (С, О, Н, N) скапливаются на дислокациях и блокируют их. Закалка+старение - дисп. частицы вторичной фазы создают сильное торможение дислокаций. Дислокации, перемещаясь в пл-ти скольжения, должны перерезать либо огибать частицы.

Поверхностное упрочнение - осн метод повышения тв-ти слоя и препятствующий зарождению пов трещин. (ППД, цементация, нитроцемент, азотир, закалка ТВЧ).

Конструкторские методы предусматривают обеспечение равнопрочности высоконапряженных деталей. При их проектировании избегают резких перепадов жесткости, глубоких канавок и других конструктивных надрезов.

Билет4 1)Диаграмма состояния двойных сплавов с ограниченной переменной

растворимостью компонентов в твердом состоянии. Термическая обработка сплавов этой диаграммы: отжиг, закалка, старение.

Предельная концентрация компонента А в фазе определяется линией FQ, и эта концентрация не изменяется. Максимальное содержание компонента В в -фазе

определяется точкой Е и при охлаждении снижается до точки Р. Из всех сплавов выделяют сплав III, который называется эвтектическим (наиболее легкоплавкий). Он кристаллизуется с выделением одновременно двух твердых фаз определенной концентрации: твердого раствора состава точки Е и твердого раствора

состава точки F. В результате образуется смесь двух фаз, которую называют

эвтектикой.

Термическая обработка - технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий и целью изменения их структуры и свойств. Отжиг - термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной.

Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура.

Отпуск и старение - термические обработки, в результате которых в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной.

2)Легированные низкоуглеродистые и среднеуглеродистые конструкционные стали. Влияние легирующих элементов на механические свойства сталей, маркировка, упрочняющая обработка, применение.

Легирующие элементы вводят с целью повышения конструкционной прочности сталей. Первостепенное назначение легирования - обеспечение необходимой прокаливаемости. Прокаливаемость стали определяется ее химическим составом. Все легирующие элементы, кроме кобальта, повышают устойчивость переохлажденного аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для легирования обычно используют Mo, Mn, Cr, Si, Ni, V и микродобавки. Влияние л.э. на механические свойства стали зависит от ее структурного состояния, которое определяется термической обработкой.

1.После закалки на мартенсит и низкого отпуска свойства легированной стали определяются концентрацией углерода в мартенсите.

2.После закалки и высокого отпуска (улучшения) структура стали представляет собой

сорбит - ферритно-карбидную смесь с зернистой формой карбидной фазы. Высокие механические свойства сорбита обусловлены влиянием л.э. на прочность феррита, а так же дисперсность и количество карбидной фазы.

Низкоуглеродистые легированные стали (0Л-0,3%С) используют в состоянии наибольшего упрочнения, т.е. после закалки и низкого отпуска со структурой низкоуглеродистого мартенсита или бейнита. Повышенные прочностные свойства сочетаются у них с хорошей пластичностью, вязкостью, малой чувствительностью к надрезам и высоким сопротивлением развитию вязкой трещины.

Хромистые стали 15Х, 20Х образуют группу дешевых сталей нормальной прочности. Закаливают в масле на структуру троостита или бейнита.

Среднеуглеродистые легированные стали (0,3-0,5%С) приобретают высокие механические свойства после термического улучшения - закалки и высокого отпуска (500-650°С) на структуру сорбита. Улучшение этих сталей обеспечивает повышенный предел текучести и сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью, высоким сопротивлением развитию трещины.

Хромистые стали 40Х, 45Х, 50Х относятся к дешевым конструкционным материалам. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижается пластичность и вязкость, повышается порог хладноломкости.

Хромникельмарганцеве стали ЗОХГСА, 35ХГСА содержат по 1% Cr, Мп и Si и называются хромансилями. Это достаточно технологичные стали, нашли широкое применение в автомобилестроении.

Хромоникелевые стали 40ХН, 45ХН, 50ХН обеспечивают высокий комплекс механических свойств в деталях сечением 40-50 мм. Из-за присутствия никеля эти стали, в отличие от хромистых, имеют более высокий температурный запас вязкости и меньшую склонность к хрупкому разрушению.

Хромникельмолибденовые стали 40ХН2МА, 38ХНЗМА, 38ХНЗМФА, 18Х2Н4МА относятся к глубокопрокаливаемым сталям. Относятся к мартенситному классу, закаливаются на воздухе, мало склонны к хрупкому разрушению, применяются при температурах до 300-400°С. Недостатки: высокая стоимость, плохо обрабатываются.

2)Требования, предъявляемые к материалам для зубчатых колес. Выбор сталей и их упрочняющей термообработки в зависимости от уровня требуемых свойств.

Основным эксплуатационным свойством зубчатых колес является контактная выносливость. Она определяет габаритные размеры зубчатой передачи и ресурс ее работы. Так же требуется сопротивление усталости при изгибе, износостойкость профилей и торцов зубьев, устойчивость к схватыванию. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют стали, имеющие твердый поверхностный слой, а так же вязкую и достаточно прочную сердцевину. Такое сочетание достигается химикотермической обработкой низкоуглеродистых сталей или поверхностной закалкой среднеуглеродистых сталей.

Для зубчатых колес, работающих при высоких контактных нагрузках, применяют цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали.

Сильно нагруженные зубчатые колеса диаметром 150-600мм и более изготавливают из хромоникелевых сплавов 20ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА и др. Для менее нагруженных колес применяют хромистые стали 15Х, 15ХФ, 20ХР и др. Азотирование гарантирует высокую твердость поверхности, но из-за небольшой толщины упрочненного слоя возможны подслойные разрушения. Азотирование целесообразно применять для средненагруженных зубчатых колес сложной конфигурации, шлифование которых затруднено. Для азотированных колес используют стали 38Х2МЮА, 40Х, 40ХФА и др.

Поверхностной и объемной индукционной закалке с последующим низким отпуском подвергают зубчатые колеса малых и средних размеров из сталей с содержанием углерода 0,4-0,5%.

Зубчатые колеса, работающие при невысоких нагрузках, изготавливают из сталей 40, 50, 40Х, 40ХН и др. после нормализации и улучшения.

Билет6 1. Формирование структуры литых металлов. Влияние скорости охлаждения на

величину зерна. Модифицирование.

Первичная кристаллизация – переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры.

Вторичная кристаллизация – образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе.

Кристаллизация происходит в том случае, если термодинамический потенциал вещества в твердом состоянии будет меньше термодинамического потенциала в жидком состоянии.

Степень переохлаждения – разница между равновесной и реальной температурой кристаллизации. Степень переохлаждения зависит от природы металла. Она увеличивается с повышением чистоты металла и ростом скорости охлаждения.

Зависимость числа зародышей кристаллов и скорости их роста от степени переохлаждения. При T1 – число зародышей мало, скорость роста

отлична от нуля. В результате кристаллы вырастают до крупных размеров. При T2 – число зародышей резко возрастает, скорость роста увеличивается, но кристаллы из-за большого количества не успевают вырасти до крупных размеров (структура из мелких

кристаллов).Чем мельче кристаллы в структуре металла, тем выше прочность и твердость, меньше пластичность. Для малых объемов металла T можно изменять за счет изменения скорости охлаждения.Модифицирование – технологическая операция, применяемая для измельчения структуры металлов и сплавов. Она состоит во введении в жидкий сплав перед разливкой специальных добавок – модификаторов. В качестве модификаторов используют поверхностно-активные вещества (в сталях бор, в алюминии натрий), а так же элементы, образующие тугоплавкие тонкодисперсные частицы (титан, цирконий в алюминии и его сплавах; алюминий, титан в сталях). Строение металлического слитка.

Зона I: Высокая скорость охлаждения. Структура – мелкие, равноосные кристаллы.

Зона II: Быстрое охлаждение, большая разность температур, мелкие кристаллы, растущие навстречу оттоку тепла. Игольчатые (столбчатые) дендриты.

Зона III: Центральная часть слитка. Медленное охлаждение. Форма кристаллов: крупные, равноосные. Чем ближе к центру, тем больше содержание вредных примесей. Примеси можно удалить механически,

Зона IV: В верхней части слитка, концентрируется наибольшая часть легких примесей (шлаки), газовых пузырей, трещин, раковин, и т. д. После изготовления эту часть удаляют.Наиболее качественными являются слитки с одинаковой структурой кристаллов по всему объему.Зональная ликвация – химическая неоднородность по отдельным зонам слитка.Зона ликвации – химическая неоднородность по отдельным зонам слитка. Она отрицательно влияет на механические свойства.Дендритная ликвация – характеризуется неодинаковым химическим составом по сечению зерна.