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

2)Факторы, влияющие на износостойкость в условиях абразивного изнашивания, в условиях высоких удельных давлений, в условиях кавитации. Износостойкие материалы высокой и невысокой твердости. Состав, марки, применение.

Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхностных слоѐв материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изнашивания – износ. Абразивное изнашивание – разрушение поверхности происходит за счет микрорезания, происходящего за счет посторонних включений и неровностей поверхности. При абразивном изнашивании в условиях скольжения относительная износостойкость металлов и сплавов линейно связана с твердостью. Зависимость износостойкости материалов от твердости при различных давлениях на поверхности контакта не меняется. В таких условиях критерием износостойкости является мера сопротивления стали прямому внедрению в нее абразивной частицы, т. е. твердость. На реальность такой гипотезы указывает линейная связь между твердостью стали и ее износостойкостью при ударно-абразивном изнашивании, проявляющаяся в определенных условиях внешнего силового воздействия. Аналогичная зависимость была получена в работе [44]. Однако такая зависимость сохраняется только до определенного значения энергии удара. При увеличении энергии удара наблюдается перелом линейной зависимости износостойкость -^- твердость. По мере удаления от максимума этой зависимости в область более высокой или более низкой твердости износостойкость стали уменьшается.

Кавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении еѐ скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация). Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну.

Кавитация разрушает поверхность гребных винтов, гидротурбин, акустических излучателей и др. В местах контакта жидкости с быстро движущимися твердыми объектами (рабочие органы насосов, турбин, гребные винты судов, подводные крылья и т.д.) происходит локальное изменение давления. Если давление в какой-то точке падает ниже давления насыщенного пара, происходит нарушение целостности среды. Или, проще говоря, жидкость закипает. Затем, когда жидкость попадает в область с более высоким давлением, происходит "схлопывание" пузырьков пара, что сопровождается шумом, а также появлением микроскопических областей с очень высоким давлением

(при соударении стенок пузырьков). Это приводит к разрушению поверхности твердых объектов. Их как-бы "разъедает". Если зона пониженного давления оказывается достаточно обширной, возникает кавитационная каверна - полость, заполненная паром. В результате нормальная работа лопастей нарушается и возможен даже полный срыв работы насоса. Любопытно, но есть примеры, когда кавитационная каверна специально закладывается при расчете насоса. В тех случаях, когда избежать кавитации невозможно, такое решение позволяет избежать разрушительного влияния кавитации на рабочие органы насоса. Режим, при котором наблюдается устойчивая кавитационная каверна, называют "режимом суперкавитации".

Материалы с высокой твердостью поверхности.

При работе в условиях больших давлений и ударов, наибольшей работоспособностью обладают аустенитные стали с низкой исходной твердостью, но способные из-за высокого деформац. упрочнения (наклепа) формировать высокую твердость поверхности в условиях эксплуатации.

Абразивное изнашивание – ведущими являются процессы многократного деформирования пов-ти скользящими по ней частицами и микрорезанием. Поэтому наибольшей износостойкостью обладают материалы, состоящие из частиц твердой карбидной фазы и удерживающей их высокопрочной матрицы. Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжелых условиях работы.

Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжелых условиях работы в виде литых и наплавочных материалов. Для наплавки на поверхность деталей используют прутки из этих сплавов, которые нагревают ацетиленокислородным пламенем или электродугой. В промышленности используют более ста сложных по химическому составу литых и наплавочных материалов. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием углерода (до 4 %) и карбидообразующих элементов (Сг, W, Ti). В их структуре может быть до 50% специальных карбидов, увеличение количества которых сопровождается ростом износостойкости.

Структуру матричной фазы регулируют введением марганца или никеля. Она может быть мартенситной, аустенитно-мартенситной и аусте-нитной.

Для деталей, работающих без ударных нагрузок, применяют сплавы с мартенситной структурой. К ним относятся сплавы типа 250X38, 320Х23Г2С2Т (первые три цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента). Детали, работающие при значительных ударных нагрузках (зубья ковшей экскаваторов, пики отбойных молотков и др.), изготовляют из сплавов с повышенным содержанием марганца с аустенитномартенситной (370Х7Г7С) или аустенитной (110Г13, 300Г34) матрицей.

Для деталей машин, работающих при средних условиях изнашивания, применяют твердые сплавы, структура которых состоит из специальных карбидов (WС, ТiC, ТаС), связанных кобальтом, а также высокоуглеродистые стали типа Х12, Х12М, Р18, Р6М5 со структурой мартенсит+ карбиды). Эти материалы относятся к инструментальным. Низко- и среднеуглеродистые стали с различными видами поверхностного упрочнения и чугуны применяют для более легких условий изнашивания. В частности, для деталей, работающих в условиях граничной смазки (гильзы цилиндров, коленчатые валы, поршневые кольца и пр.).

Билет19

1)Цели легирования конструкционных сталей. Влияние легирующих элементов на механические свойства и прокаливаемость конструкционных сталей. Классификация легированных сталей по структуре в отожженном и нормализованном состоянии.

Легирование – карбидообр эл-ты (Ni, V, Mo, Cr) 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, Cu) замедляют диффузию.

Все лег эл-ты в феррите обазуют твердорастворное упрочнение по типу замещения, атомы внедрения (C, O, H, 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.

Марка легированной стали – буквенно-цифровой код ее химического состава.Каждый элемент обозначается заглавной буквой русского алфавита:

а) по первой букве русского названия Н – Ni; В – W; Т – Ti; Х – Cr; М – Mo; Г – Mn; Д – Cu;

Ю – Al; А – N; Б – Nb;

б) по первой букве латинского названия С – Si; в) просто условное обозначение Ф – V;

Cr 13% Ni 8%

Если число соответствующее содержанию углерода двухзначное, то это содержание углерода в сотых долях процента, если в единицах, то это содержание углерода в десятых долях процента.

Влияние некоторых основных легирующих элементов на свойства сталей.

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 – 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.

2)Алюминиевые литейные сплавы. Марки, свойства, применение.

Алюминий - легкий металл, обладающий высокими тепло- и электропроводностью, стойкий к коррозии. В зависимости от степени частоты первичный алюминий согласно ГОСТ 11069-74 бывает особой (А999), высокой (А995, А95) и технической чистоты (А85, А7Е, АО и др.). Алюминий маркируют буквой А и цифрами, обозначающими доли процента свыше 99,0% Al; буква "Е" обозначает повышенное содержание железа и пониженное кремния.

А999 - алюминий особой чистоты, в котором содержится не менее 99,999% Al;

А5 - алюминий технической чистоты в котором 99,5% алюминия. Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Те и другие могут быть не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Деформируемые алюминиевые сплавы хорошо обрабатываются прокаткой, ковкой, штамповкой. Их марки приведены в ГОСТ4784-74. К деформируемым алюминиевым сплавам не упрочняемым термообработкой, относятся сплавы системы Al-Mn и ALMg:Aмц; АмцС; Амг1; АМг4,5; Амг6. Аббревиатура включает в себя начальные буквы, входящие в состав сплава компонентов и цифры, указывающие содержание легирующего элемента в процентах. К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы системы Al-Cu-Mg с добавками некоторых элементов (дуралюны, ковочные сплавы), а также высокопрочные и жаропрочные сплавы сложного хим.состава. Дуралюмины маркируются буквой "Д" и порядковым номером, например: Д1, Д12, Д18, АК4, АК8.

Принцип маркировки алюминиевых сплавов. В начале указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы. Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованный

1.Литейные алюминиевые сплавы. Сплавы состава Al-Si, Al-Cu. Гранулированные сплавы.

Литейные сплавы: (Al + Si, Si < 13% – силумин).

–Узкий температурный диапазон кристаллизации;

–Жидкотекучесть;

–Малая усадка;

Желательно брать сплав до линии эвтектики, но не желательно переходить вправо через нее.

Вэтой области:

–Крупные кристаллы эвтектики;

–Наличие в эвтектике хрупких и непрочных

кристаллов кремния; Поэтому у силумина: практически отсутствует

пластичность, = 150–170 Мпа. За счет

в

модифицирования свойства сплава могут быть улучшены. Модификаторы (0,5% Na или Li) способствуют появлению мелкой эвтектики.

Маркировка: АЛ2 (алюминий литейный, 2 – номер сплава).

Билет20

1)Нитевидные кристаллы. Влияние плотности дислокаций на прочность металлов и сплавов. Способы упрочнения материалов.

Бездислокационные нитевидные кристаллы существенно отличаются по своим мех. и физ. св-вам от обычных монокристаллов и поликристаллич. материалов. Так, макс. прочность нитевидных кристаллов обычно составляет не менее 20-30% от теоретической, модуль упругости достигает теоретич. значений для монокристаллов c идеальной структурой. Кроме обычной статич. прочности нитевидные кристаллы (особенно очень тонкие) отличаются большой усталостной прочностью, способностью выдерживать упругие деформации до ~ 3% и сохранять свою прочность при т-рах, близких к т-рам плавления. нитевидные кристаллы применяют при изготовлении разл. датчиков (миниатюрные термометры, тензодатчики, датчики Холла, дози-метрич. датчики), автоэмиссионных катодов, в качестве армирующих компонентов в высокопрочных композиционных материалах с металлич., керамич. и полимерными матрицами.

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций. Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий

дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м2, или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м3. Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала. Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций. Рис.Влияние плотности дислокаций на прочность

Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм - ―усы― с прочностью, близкой к теоретической: для железа = 13000 МПа, для меди =30000 МПа. В противном случае образуются трещины. Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности

дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

При азотировании изделия загружают в герметичные печи, куда поступает аммиак NH3 c определенной скоростью. При нагреве аммиак диссоциирует по реакции: 2NH3>2N+3H2. Атомарный азот поглощается поверхностью и диффундирует вглубь изделия.

Фазы, получающиеся в азотированном слое углеродистых сталей, не обеспечивают высокой твердость, и образующийся слой хрупкий.

Для азотирования используют стали, содержащие алюминий, молибден, хром, титан. Нитриды этих элементов дисперсны и обладают высокой твердостью и термической устойчивостью.

Типовые азотируемые стали: 38ХМЮА, 35ХМЮА, 30ХТ2Н3Ю.

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.

В зависимости от условий работы деталей различают азотирование:

для повышения поверхностной твердости и износостойкости;

для улучшения коррозионной стойкости (антикоррозионное азотирование). В первом случае процесс проводят при температуре 500…560oС в течение 24…90

часов, так как скорость азотирования составляет 0,01 мм/ч. Содержание азота в поверхностном слое составляет 10…12 %, толщина слоя (h) – 0,3…0,6 мм. На поверхности получают твердость около 1000 HV. Охлаждение проводят вместе с печью в потоке аммиака.

Значительное сокращение времени азотирования достигается при ионном азотировании, когда между катодом (деталью) и анодом (контейнерной установкой) возбуждается тлеющий разряд. Происходит ионизация азотосодержащего газа, и ионы бомбардируя поверхность катода, нагревают его до температуры насыщения. Катодное распыление осуществляется в течение 5…60 мин при напряжении 1100…1400 В и давлении 0,1…0,2 мм рт. ст., рабочее напряжение 400…1100 В, продолжительность процесса до 24 часов.

Антикоррозионное азотирование проводят и для легированных, и для углеродистых сталей. Температура проведения азотирования – 650…700oС, продолжительность процесса – 10 часов. На поверхности образуется слой — фазы толщиной 0,01…0,03 мм, который обладает высокой стойкостью против коррозии. ( –фаза – твердый раствор на основе нитрида железа Fe3N, имеющий гексагональную решетку).

Азотирование проводят на готовых изделиях, прошедших окончательную механическую и термическую обработку (закалка с высоким отпуском).

После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость.

Билет 21

1)Влияние условий кристаллизации на структуру литого металла. Получение монокристаллов и аморфных сплавов.

Монокристаллы. Большое научное и практическое значение имеют монокристаллы. Монокристаллы отличаются минимальными структурными несовершенствами.

Получение монокристаллов позволяет изучать свойства металлов, исключив влияние границ зерен. Применение в монокристаллическом состоянии германия и кремния высокой чистоты дает возможность использовать их полупроводниковые свойства и свести к минимуму неконтролируемые изменения электрических свойств.

Получение. Монокристаллы можно получить, если создать условия для роста кристалла только из одного центра кристаллизации. Существует несколько методой, в которых использован этот принцип. Важнейшими из них являются методы Бриджмена и Чохральского.

Метод Бриджмена (рис. 3.8, а) состоит и следующем: металл, помещенный в тигель с коническим дном 3, нагревается в вертикальной трубчатой печи 1 до температуры на 50

— 100) °С выше температуры его плавления. Затем тигель с расплавленным металлом 2 медленно удаляется из печи. Охлаждение наступает в первую очередь в вершине конуса,

где и появляются первые центры кристаллизации. Монокристалл 4 вырастает из того зародыша, у которого направление преимущественного роста совпадает с направлением перемещения тигля. При этом рост других зародышей подавляется. Для непрерывного роста монокристалла необходимо выдвигать тигель из печи со скоростью, не превышающей скорость кристаллизации данного металла.

Метод Чохральского (рис. 3.8, б) состоит в вытягивании монокристалла из расплава, нагретого в печи 1. Для этого используется готовая затравка 2 — небольшой образец, вырезанный из монокристалла. Затравка вводится в поверхностный слой жидкого металла 4, имеющего температуру чуть выше температуры плавления. Плоскость затравки, соприкасающаяся с поверхностью расплава, должна иметь кристаллографическую ориентацию, которую желательно получить в растущем монокристалле 3. Затравку выдерживают в жидком металле для оплавления и установления равновесия в системе жидкость — кристалл. Затем затравку медленно, со скоростью, не превышающей скорости кристаллизации (~ 1 — 2 мм/мин), удаляют из расплава. Тянущийся за затравкой жидкий металл в области более низких температур над поверхностью ванны кристаллизуется, наследуя структуру затравки. Для получения симметричной формы растущего монокристалла и равномерного распределения примесей в нем ванна 5 с расплавом вращается со скоростью до 100 об/мин, а навстречу ей с меньшей скоростью вращается монокристалл.

Диаметр растущего монокристалла зависит от скорости выращивания и температуры расплава. Увеличение скорости выращивания ведет к выделению большей теплоты кристаллизации, перегреву расплава и уменьшению диаметра монокристалла.

Очень перспективно выращивание монокристаллов в космосе, где удачно сочетаются глубокий вакуум и невесомость. Космический вакуум до Ю-13 Па, практически недостижимый в земных условиях, способствует значительной очистке от примесей. Вследствие того, что в невесомости силы гравитации ничтожно малы, в расплавах практически не возникает конвекция, которая в земных условиях вызывает нестабильность роста кристаллов. Нестабильность роста, в свою очередь, служит причиной появления несовершенств кристаллического строения, неоднородности химического состава и свойств кристаллов. Отсутствие конвекции не исключает образования микронеоднородностей, вызванных другими причинами. Однако монокристаллы, выращенные в космосе, совершеннее по структуре, распределению легирующих добавок (примесей), лучше по свойствам и значительно больше по размерам.

Примером промышленного использования монокристаллической структуры является производство лопаток для газотурбинного двигателя из жаропрочного никелевого сплава.

По сравнению с лопатками поликристаллической структурой монокристаллической лопатки (при одинаковом хим. составе) имеют повышенную жаропрочность и сопротивление усталости.

Аморфные металлы

При сверхвысоких скоростях охлаждения из жидкого состояния (> 106 °С/с) диффузионные процессы настолько замедляются, что подавляется образование зародышей и рост кристаллов. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура. Материалы с такой структурой получили название аморфные металлические сплавы (АМС), или металлические стекла. Затвердевание с образованием аморфной структуры принципиально возможно практически для всех металлов. В настоящее время аморфная структура получена у более чем 200 сплавов и полупроводниковых материалов. Это сплавы легкоплавких, редкоземельных (Sc, Y, La и др.) и переходных металлов. Для образования аморфной структуры переходных металлов к ним необходимо добавлять так называемые аморфизаторы (С, Р, В, N, S и др.). При этом состав аморфного сплава должен отвечать формуле Ме80Х20, где Me — один или несколько переходных металлов, % (ат.); X — элементы, добавляемые для образования и стабилизации аморфной структуры, % (ат.). Так, известны аморфные сплавы, состав которых отвечает формулам Fe80P13B7; Fe70Cr10P15B5; Ni80S20; Fe40Ni40S14B6 и др.

У сплавов систем «металл-металл» эта зависисмость не соблюдается. Получение. Сверхвысокие скорости охлаждения жидкого металла (> 106оС/с) для получения аморфной структуры можно реализовать такими способами, как

катапультирование капли на холодную пластину, центрифугирование капли или струи, распыление струи газом или жидкостью с высокой охлаждающей способностью и др. Наиболее эффективными способами получения лент, пригодных для практического применения, считают охлаждение жидкого металла на внешней или внутренней поверхностях вращающихся барабанов, изготовленных из материалов высокой теплопроводности, прокатку между холодными валками металла, подаваемого в виде струи.