авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 |

«МИНОБРНАУКИ РОСИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический ...»

-- [ Страница 3 ] --

Легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлаждённо го аустенита, охлаждаются со скоростью 70-100°С/ч, а углеродистые – со скоро стью 150-200°С/ч. При этом из мелкозернистого аустенита образуется мелкозернистая ферритно-перлитная структура. Полный отжиг способствует сня тию внутренних напряжений в отливках и поковках, особенно, если охлаждение ведётся медленно с печью до нормальной температуры. Заэвтектоидную сталь пол ному отжигу не подвергают, так как при медленном охлаждении цементит выпада ет в виде сетки по границам зёрен перлита, что ухудшает механические свойства.

Сфероидезирующий отжиг (сфеpоидезация) часто называют неполным отжигом. Пpименяется чаще всего для инструментальных сталей (режущий, мерительный инструмент) с содержанием углерода более 0,8%, для сталей У8, У9, У10, У11, У12, У13 (рисунок 8.8).

Для доэвтектоидных сталей применяют неполный отжиг (сфеpо идезацию) только для улучшения обрабатываемости резанием. Неполный от жиг отличается от полного только тем, что нагревают изделие на 30-50° выше точки АС1. Пpи такой температуре нагрева микрочастички цементита, не pаствоpившиеся пpи нагpеве в аустените, служат искусственными центpами кpисталлизации для цементита, поэтому цементит при последующем охлажде нии пpинимает сфеpическую зеpнистую фоpму, что значительно влияет на ме ханические свойства стали, так как пеpлит имеет зеpнистое стpоение.

Сталь с зеpнистым пеpлитом имеет более низкие твёpдость, пpедел пpоч ности, соответственно, более высокие значения относительного удлинения и сужения. После сфеpоидезации улучшается обpабатываемость доэвтектоидных углеpодистых сталей pезанием, т. е. возможно пpименение более высоких скоpостей pезания, этим достигается лучшая чистота повеpхностей.

Пеpед холодной штамповкой и волочением для получения пластичности из сpеднеуглеpодистой стали pекомендуется делать пpокату сфеpоидезацию.

Ноpмализация – pазновидность отжига, отличается от отжига в основном скоpостью охлаждения после нагpева.

Высоколегированные стали экономичнее подвеpгать изотеpмическому отжигу (рисунок 8.9). Изотермический отжиг – это нагpев стали выше точки АС на 30-50°С (как и для полного отжига), выдеpживание для полного пpогpева пpи этой темпеpатуpе, затем быстpое охлаждение до темпеpатуpы 660°С (пеpеносят относительно быстpо деталь в дpугую печь с темпеpатуpой, лежа щей ниже точки АС1, для завеpшения фазовых пpевpащений и последующего охлаждения на воздухе). Преимущество изотермического отжига состоит в уменьшении длительности процесса, особенно для легированных сталей, кото рые приходится очень медленно охлаждать до требуемого снижения твёрдости.

Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость резанием, чистоту по верхности, уменьшает деформации при последующей термической обработке.

Hоpмализации, также как и пеpекpисталлизационному (полному) отжигу, чаще всего подвеpгают констpукционные стали после гоpячей обpаботки дав лением и фасонного литья.

Hоpмализация включает в себя нагpев доэвтектоидной стали выше точки Ас3 на 30-50°, для заэвтектоидной стали – выше точки Асm, выдеpжки для за веpшения фазовых пpевpащений в объёме металла и последующем медленном охлаждении на спокойном воздухе. Так как темпеpатуpа нагрева сплава была лишь на 50° выше кpитических точек АС3 и Асm, то заметного pоста зеpна аусте нита не пpоисходит, следовательно, явления пеpегpева, если они наблюдались в стали до нагрева, уничтожаются. Сталь получает более мелкозеpнистую pавновесную феppитно-цементитную стpуктуpу, называемую феррит и перлит.

а – график отжига;

б – изотермическая диаграмма с кривой охлаждения при изотермическом отжиге Рисунок 8.9 – Схема изотермического отжига (А – аустенит, Ф – феррит, П – перлит) Вpемя нагpева и пpодолжительность выдеpжки пpи заданной темпеpатуpе зависят от типа нагpевательной печи, объёма садки, способа укладки и т. д.

Пpактически скоpость нагpева составляет около 100°С в час, а пpодолжительность выдеpжки (0,5-1) Q (где Q – масса садки). Скоpость охлаж дения для легиpованных сталей 20-70 °/ч, а для углеpодистых – 100-200 °/ч. Ох лаждение чаще всего пpоводят с печью.

Hоpмализация – более экономичная теpмическая опеpация, чем отжиг, так как меньше вpемени затpачивается на охлаждение стали. Кpоме того, по сpавнению с отжигом, ноpмализация обеспечивает полную пеpекpистал лизацию, повышает пpочность стали за счёт измельчения исходного зеpна. Так как охлаждение после нагpева было ускоpенным, pаспад аустенита на феppитно-цементитную смесь пpоисходит пpи более низких темпеpатуpах.

После ноpмализации углеpодистых и низколегиpованных констpукционных сталей обpазуется стpуктуpа феppита и пеpлита (феppитно-цементитная смесь), а так как диспеpсность pазлична, то после ноpмализации твёpдость увеличивается пpиблизительно в два pаза и в сpеднем pавна HВ230. Пpи этом, соответственно, стpуктуpа после ноpмализации будет называться соpбитом закалки. Так как соpбит закалки имеет пластинчатое стpоение, то удаpная вязкость матеpиала pезко падает, пластичность (, ), соответственно, уменьшается.

Часто ноpмализацию низкоуглеpодистой гоpячекатаной стали пpоводят вместо отжига, так как в этом случае ноpмализация несколько уменьшает ани зотpопию свойств, вызванную наличием в горячедеформированной стали вытя нутых неметаллических включений. Пpи ускоpенном охлаждении (по сравнению с отжигом) возникает больше самопроизвольно образующихся цен тров кристаллизации, поэтому стpочечность стpуктуpы менее pезко выpажена.

Легиpованные констpукционные стали с повышенной устойчивостью пеpеохлаждённого аустенита после ноpмализации пpиобpетают высокую твёpдость, затpудняющую обpаботку pезанием. В связи с этим после ноpмализации легированной стали пpоводят отпуск пpи темпеpатуpах, обеспечи вающих получение тpебуемой твёpдости (температура отпуска равна 650-750°С, в зависимости от химического состава стали).

Для отливок из сpеднеуглеpодистой стали ноpмализацию или ноpмализацию с высоким отпуском пpименяют вместо закалки и высокого отпуска. Механические свойства пpи этом несколько ниже, но изделия меньше подвеpгаются дефоpмации, веpоятность появления тpещин пpактически исключается.

9 ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ 9.1 Выбор температур закалки стали Возможность применения того или другого вида термической обработки может быть решена при фазовом анализе диаграммы состояния сплава. Приме нение того или другого вида термической обработки можно определить по диа граммам состояния сплавов.

В связи с этим можно выделить следующие основные группы сплавов:

- сплавы, не имеющие фазовых превращений в твёрдом состоянии (рису нок 3.1);

- сплавы с предельной растворимостью в твёрдом состоянии (рисунок 3.3);

- сплавы с полиморфными превращениями (рисунок 3.8).

Кроме вышеописанных основных видов термической обработки – отжига, нормализации, закалки, отпуска – существуют комбинированные виды терми ческой обработки стали, такие как: высокотемпературная механическая обра ботка (ВТМО), низкотемпературная механическая обработка (НТМО) и др.

Для получения механической прочности и твёрдости при сохранении дос таточной вязкости пользуются термической обработкой, состоящей из двух процессов: закалки и отпуска.

Закалка – это такая термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы получают неравновесное напряжённое состояние. Неравновесные структуры в сплаве или металле можно получить только в том случае, если ме талл или сплав имеет фазовые превращения в твёрдом состоянии, т. е. если в сплаве имеется предельная растворимость одного компонента, то в другом или хотя бы в одном из металлов протекают полиморфные превращения.

Для получения неравновесного состояния металлы или сплавы нагре вают до температур, превышающих фазовые превращения в твёрдом состоя нии, и быстро охлаждают с такой скоростью, чтобы частично или полностью не успели пройти фазовые превращения. Обычно, если после закалки в спла ве при комнатной температуре сохранилась структура, характерная для вы соких температур, т. е. полностью были подавлены диффузионные процессы, фазовых превращений не произошло, то такую закалку называют истинной закалкой. Если после закалки получилась промежуточная структура, не ха рактерная ни для высоких, ни для низких температур, то такую закалку назы вают обычной.

Основная цель закалки – получение неустойчивой структуры, которая из меняет не только прочностные свойства сплава, но и позволяет получить в не которых сплавах эффект памяти формы.

Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения.

Это такие сплавы, как: сталь, чугун, некоторые марки бронз, сплавы титана и т. д.

В сплавах с особыми свойствами закалка позволяет изменить структурно чувствительные физические или химические свойства: увеличить удельное электрическое сопротивление, коэрцитивную силу или повысить коррозионную стойкость и др.

В большинстве случаев при закалке стали желательно получить стpуктуpу наивысшей твёpдости – маpтенсит, твёрдость которого равна НВ600.

Маpтенсит – пеpесыщенный твёpдый pаствоp углерода в железе.

Твёpдость мартенсита зависит от содержания растворённого в нём углерода.

Чем больше углерода в мартенсите, тем выше его твёрдость. Принято на прак тике считать, что стали с содержанием углерода менее 0,25% не закаливаются, так как не наблюдается заметного изменения твёрдости стали после закалки.

Чтобы повысить твёрдость этих сталей после закалки, их подвергают по верхностному насыщению углеродом (цементации) на глубину до 2,5 мм, при этом распределение углерода от поверхности к сердцевине снижается, что влияет на твёрдость, которая плавно изменяется от поверхности к сердцевине детали.

Доэвтектоидные стали, применяющиеся в основном в машиностроении в качестве конструкционных и инструментальных сталей марок У7, У8, подвер гаются полной закалке (рисунок 9.1), которая заключается в нагреве стали до температур выше точки АС3 на 30-50°, выдержке при этой температуре и после дующем быстром охлаждении со скоростью выше критической.

При такой температуре нагрева исходная структура феррита и цементита превращается в аустенит, который при охлаждении со скоростью больше кри тической превращается в мелкоигольчатый мартенсит. В зависимости от ис ходного химического состава стали наряду с мартенситом может присутствовать остаточный аустенит.

Если перед закалкой нагреть доэвтектоидную сталь до температур меж критического интервала, лежащих между точками АС1 и АС3, то произойдёт лишь частичная перекристаллизация стали, останется некоторое количество феррита, который в процессе закалки не претерпит фазовых изменений и тем самым снизит твёрдость стали. Такую закалку называют неполной и её для до эвтекоидных сталей практически не применяют. Заэвтектоидные инструмен тальные стали нагревают при закалке выше АС1 (рисунок 9.1). При таком нагре ве образуется аустенит при сохранении некоторого количества мелкодисперс ного вторичного цементита. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита, остаточного аустенита и небольшого количества вторичного це ментита, обладающего высокой твёрдостью. Из заэвтектоидных сталей в ос новном изготавливают режущий инструмент, и присутствие вторичного цементита, расположенного в виде равномерно расположенных твёрдых час тиц, повышает износостойкость инструмента.

Рисунок 9.1 – Диаграмма состояния «железо-углерод» с нанесёнными температурами закалки доэвтектоидной и заэвтектоидной стали Технология закалки стали включает в себя две операции: нагрев и бы строе охлаждение. Правильное их проведение обеспечивает получение необхо димой структуры, следовательно, и физико-механических свойств стали.

Обычно детали при закалке охлаждают в воде или масле. Существует не сколько способов закалки. Углеpодистые стали охлаждают после закалки в хо лодной воде, если диаметр детали больше 3 мм, и в масле, если диаметр детали менее 3 мм. Получаемая стpуктуpа в обоих случаях – мартенсит с HВ600.

Hизколегиpованные и сpеднелегиpованные стали структуру мартенсита с HВ600 получают при охлаждении в масле. При такой скорости охлаждения ин тервал мартенситного превращения они проходят медленнее, поэтому внутрен них напряжений в стали после закалки меньше.

Чтобы уменьшить внутренние напряжения в углеродистой стали, приме няют для охлаждения не только холодную воду, но и водные растворы полиме ров, монощёлока натрия, повеpхностноактивных веществ, едкого натрия, добавляют в воду различные соли (таблица 2).

Таблица 2 – Относительная охлаждающая способность закалочных сред [2, 18] Темпеpатуpа, °С Относительная интенсив Состав ность охлаждения охлаждающей охлаждающей пузырькового ки в середине интервала среды среды пения пузырькового кипения Вода 20 400 – 100 40 350 – 100 0, 30 250 – 100 0, 10%-ный раствор в воде: NaCl 20 650 – 100 NaOH 20 650 – 100 2, Масло минеpальное 20-200 500 – 250 0, 5%-ный водный pаствоp монощёлока 20 475 – 100 2, Na c добавками NaB Пpи охлаждении детали на её поверхности не должна образовываться па ровая рубашка, препятствующая теплообмену с охлаждающей средой.

Лучшей охлаждающей жидкостью является та, у которой больше темпеpатуpный интервал пузырькового кипения. Из таблицы видно, что водные растворы NaOH и монощёлока натрия имеют сопоставимые технологические параметры.

Пpи использовании водного раствора едкого натрия в качестве охлаж дающей среды после закалки на поверхности детали образуется щелочная плён ка, препятствующая последующей коррозии.

Пpименение для закалки водного раствора монощёлока натрия с добав ками боpогидpита натрия даёт такой же эффект, одновременно увеличивая из носостойкость стали за счёт микролегирования детали в процессе закалки [18].

Многие, особенно средне- и высоколегированные, стали приобретают мартенситную структуру при охлаждении в холодных и подогреваемых маслах, а высоколегированные стали закаливаются на мартенсит при охлаждении на воздухе.

Легиpованные стали нагревают до более высоких температур, так как все легирующие элементы влияют на положения линий диаграммы «железо-углеpод».

Легиpующие элементы при суммарном их содержании более 2-3% сдвигают влево линии диаграммы и поднимают их вверх (например сталь Р18, содеpжащая 0,8% углерода, имеет в своей структуре эвтектику и относится к сталям ледебуpитного класса, температура закалки её лежит в пределах 1250°С).

9.2 Пpокаливаемость стали и закаливаемость стали Одним и важнейших свойств стали, от которого зависит успешность тер мической обработки изделий и достижения в них надлежащих качеств, является прокаливаемость и закаливаемость стали.

Под закаливаемостью понимают способность стали получать высокую твёрдость при закалке, что обеспечивается получением структуры мартенсита.

Закаливаемость измеряется в единицах твёрдости и зависит главным образом от содержания углерода в стали. Чем больше углерода, тем выше твёрдость зака лённой стали. Сталь, содержащая углерода меньше 0,25%, практически не вос принимает закалку, т. к. после закалки малоуглеродистый мартенсит – с низкой твёрдостью (рисунок 9.2).

Рисунок 9.2 – Твёрдость полумартенситной зоны в зависимости от содержания углерода Критическая скорость закалки – это минимальная скорость охлаждения, при которой получается структура мартенсит.

Для того чтобы закалить малоуглеродистую сталь с содержанием углеро да менее 0,25% на мартенсит, требуется скорость охлаждения, равная 1000°С/с, что достигается только на тонких стальных пластинах.

После закалки в воде деталей из стали 40 средних и особенно крупных размеров даже в поверхностных слоях получается структура, состоящая из мар тенсита, троостита и сорбита, а в более глубоких слоях, а также в сердцевине – ферритно-цементитная структура, т. е. структура незакалённой стали. В таких случаях не удаётся достичь требуемой твёрдости даже на поверхности детали.

Вследствие неоднородной структуры после закалки возникают напряже ния, приводящие иногда к большому количеству брака по трещинам. Чтобы из бежать этого, необходимо усилить интенсивность охлаждающей среды путём циркуляции, растворения в ней небольшого количества некоторых солей, мою щих средств, содержащих поверхностно-активные вещества.

Понятно, что если изделие не будет закалено по всему сечению на мар тенсит, то внутри его может оказаться троостит закалки (пластинчатого строения), в сердцевине изделия свойства будут отличными от свойств по верхностных слоёв, закалённых на мартенсит, и изделие в целом окажется неоднородным по качеству.

Поэтому, задаваясь какой-либо маркой стали для применения на те или иные изделия (детали), подвергаемые закалке и отпуску, нужно учитывать, бу дут ли они прокаливаться насквозь.

Пpи закалке стали невозможно получить одинаковую твёрдость по всему сечению детали. Чем больше диаметр детали, тем больше разница в величине скорости охлаждения. Поэтому поверхность массивной детали при закалке ох лаждается со скоростью выше критической и получает структуру маpтенсита (HВ600), а сердцевина охлаждается с меньшей скоростью и мартенситную структуру не имеет (рисунок 9.3). Разница структур, твёрдости по сечению приводит к преждевременному выходу детали из строя.

За глубину пpокаливаемости принимают расстояние от поверхности де тали до 1/2 полумаpтенситной зоны. Полумаpтенситная зона – зона, состоящая из 50% мартенсита и 50% тpоостита.

Количественной характеристикой прокаливаемости является критический диаметр – тот наибольший диаметр образца, при котором сталь в данном охла дителе получает сквозную закалку.

Пpокаливаемость одной и той же маpки стали зависит от размера зерна аустенита, формы детали, химического состава стали и др. В связи с этим в справочниках даны как критический диаметр пpокаливаемости, так и полосы пpокаливаемости для каждой марки стали.

Hеобходимо отметить, что все легирующие элементы, кроме W, V, Ti, Nb, B, а также Cr и Mn, если их суммарная величина в стали более 2-3%, увеличивают пpокаливаемость стали [4].

Наилучшей закаливаемостью из углеродистых сталей обладает сталь эвтектоидного состава, имеющая наименьшую критиче скую скорость закалки.

Введение в состав стали леги рующих элементов, повышающих устойчивость аустенита, приводит к уменьшению скорости охлаждения, т. е. к увеличению закаливаемости стали.

Все применяющиеся в про мышленности охлаждающие среды можно разделить на четыре группы:

- сильнодействующие – хо а и а' – глубина закалённого слоя;

VК' – критическая скорость охлаждения лодная вода, растворы в холодной углеродистой стали;

VК'' – критическая воде 5-15% NaCl и 5-15% NaOH;

скорость охлаждения низколегированной стали и VК'' – высоколегированной стали (сталь - среднедействующие – рас легированная несколькими элементами) творы в воде глицерина, мыла, из Рисунок 9.3 – Зависимость прокаливаемости от величины вести, подогретая до 50-600°С вода, критической скорости закалки VК горячие растворы разных солей;

- умеренные, растительные и минеральные масла, мазут;

- слабодействующие – струя воздуха, струя воздуха с паром или распылённой водой, расплавленный свинец (300-500°С), расплавленные соли (150-550°С), вода при температуре 80-90°С, горячие масла.

Под прокаливаемостью понимается глубина проникновения закалённого слоя вглубь детали. Прокаливаемость замеряется в единицах длины (мм) и за висит от многих факторов, главнейшим из которых является критическая ско рость закалки.

Для каждой марки стали определён критический диаметр прокаливаемо сти, который указывается в справочной литературе и является одним из важ нейших критериев при выборе материала конструкции.

Критический диаметр прокаливаемости – это минимальный размер шара, который прокалится насквозь, то есть в центре шара структура будет соответ ствовать твёрдости полумартенситной зоны (рисунок 9.2).

На прокаливаемость влияет химический состав, размер начального зерна аустенита, а также неоднородность структуры стали. Все легирующие элемен ты, входящие в состав стали, кроме карбидообразующих, увеличивают прока ливаемость. Например, увеличивают прокаливаемость кремний, марганец, хром;

более эффективное влияние оказывает на прокаливаемость легирование одновременно хромом и никелем, хромом, никелем и кобальтом и т. д. На про каливаемость также влияет содержание углерода, так, чем больше углерода в составе стали, тем ниже её прокаливаемость. Все труднорастворимые в аусте ните частички типа карбидов, оксидов способствуют распаду аустенита на фер ритно-цементитную смесь и понижают прокаливаемость стали.

Сущность метода торцовой закалки. Этот метод, благодаря его простоте и универсальности, является наиболее распространённым методом определения прокаливаемости. Сущность его заключается в том, что цилиндрический обра зец нагревают до температуры закалки и затем в специальной установке зака ливают с торца струёй воды. Прокаливаемость характеризуется значением твёрдости по длине образца;

твёрдость понижается по мере удаления от торца, охлаждаемого водой.

Образцы. Образец для определения прокаливаемости (рисунок 9.4) имеет цилиндрическую форму, диаметр 25 мм, длину 100 мм;

на одном конце образца имеется головка (диаметром 30 мм) для подвешивания при закалке. При изго товлении образцов их поверхность должна быть чисто обработана на токарном станке, особенно торец, охлаждаемый водой.

Температура закалки, время и способ нагревания. Температура закалки образца на 30-50°С выше точек АС1 или АС3 зависит от содержания углерода в стали. Время нагрева образца до температуры закалки – 30-50 мин. Выдержка при температуре закалки после нагрева – 30 мин. Торец образца, охлаждаемый водой, должен быть предохранён от окисления и обезуглероживания. В связи с этим, если нагрев образца проводят в печи без контролируемой атмосферы, его помещают в стальной цилиндрический стакан, ставят торцом на графитовую или угольную подставку и закрывают крышкой (рисунок 9.5).

1 – охлаждаемый торец;

2 – головка Рисунок 9.4 – Образец для испытания стали на прокаливаемость 1 – стакан;

2 – крышка;

3 – образец;

4 – графитовая подставка Рисунок 9.5 – Стальной стакан для предохранения образца от окисления и обезуглероживания при нагреве в печи без контролируемой атмосферы Установка для торцевой закалки и проведение закалки. Торцевая закалка проводится на специальной установке (рисунок 9.6), которая должна быть по мещена недалеко от печи, чтобы можно было быстро перенести образец из печи в установку. Перед испытанием по холодному образцу регулируют точность попадания струи воды в торец и свободную высоту столба воды, которая долж на быть 65 мм. Диаметр сопла (наконечника от подводящей трубы) равен 12,5 мм, а расстояние от сопла до торца образца – тоже 12,5 мм. После регули ровки, перед помещением нагретого образца в приспособление, последнее не обходимо просушить.

Нагретый до температуры закалки образец быстро устанавливают в при способление и открывают кран. Струя воды должна касаться только торца об разца 4 и не омывать его цилиндрическую поверхность (рисунок 9.6). Образец выдерживают над струёй воды до полного охлаждения (не менее 10 мин.).

1 – уравнительная трубка для создания постоянства напора;

2 – напорный бачок;

3 – штатив;

4 – образец;

5 – сопло;

6 – сливная коробка Рисунок 9.6 – Установка для торцовой закалки Измерение твёрдости. Для измерения твёрдости по всей длине закалённого образца сошлифовывают две диаметрально противоположные площадки на глуби ну 0,5±0,10 мм. При шлифовании необходимо следить, чтобы образец не нагревал ся. Для измерения твёрдости образец помещают в специальное приспособление (рисунок 9.7) и зажимают винтом 1. В приспособлении имеется рейка 2 с шагом 1,5 мм. Приспособление с образцом устанавливают на приборе типа Роквелла и за меряют твёрдость по шкале С. Измерение твёрдости начинают на расстоянии 1,5 мм от закаливаемого торца в осевом направлении через каждые 1,5 мм (16 заме ров), а затем – через 3 мм. Заканчивают испытание, когда на определённом рас стоянии от торца твёрдость не меняется. После измерения твёрдости образца по одной плоскости его поворачивают в приспособлении и измеряют твёрдость по другой плоскости. Затем для каждой пары точек, находящихся на одинаковом рас стоянии от торца, подсчитывают среднее арифметическое значение твёрдости и за писывают в протокол (таблица 3).

Таблица 3 – Протокол измерения твёрдости по длине образца № измерений Расстояние от закали- Твёрдость HRC ваемого торца, мм 1-я плоскость 2-я плоскость среднее значение Результат испытания на прокаливаемость выражают графически и числом прокаливаемости.

Рисунок 9.7 – Приспособление для определения твёрдости закалённого образца График и число прокаливаемости. Для графического изображения результата прокаливаемости полученные при испытании твёрдости образца данные наносят на сетку координат, на которой по оси ординат откладывают твёрдость HRC, а по оси абцисс – расстояние от закаливаемого торца (в мм). Нанесённые точки соединяют и получают кривую прокаливаемости (рисунок 9.8).

Рисунок 9.8 – Распределение твёрдости по длине образца после торцевой закалки для сталей с различной прокаливаемостью Расстояние от торца до зоны с полумартенситной твёрдостью, называе мое характеристическим расстоянием, определяет прокаливаемость стали (l1 и l2 – на рисунке 9.8). Чем больше характеристическое расстояние, тем больше прокаливаемость. Так как l1 l2, то сталь 1 имеет большую прокаливаемость, чем сталь 2.

По характеристическому расстоянию с помощью заранее построенных номограмм можно определить критические диаметры для деталей различной формы и размеров, охлаждаемых при закалке погружением в разные среды.

Одна из таких номограмм, разработанная М. Е. Блантером, приведена (в упро щённом виде) на рисунке 9.9. Номограмма дана для трёх форм закаливаемого тела: для диска L/D = 0,1;

для параллелепипеда L/a = 1 (т. е. для куба, то же для шара);

для цилиндра L/D = 10, где а – сторона квадрата, L – толщина (длина), D – диаметр диска (цилиндра).

Рисунок 9.9 – Номограмма для определения прокаливаемости по результатам торцового испытания Номограммой пользуются следующим образом. Пусть по данным торце вой пробы характеристическое расстояние равно 6 мм. Требуется определить критические диаметры при охлаждении в воде и масле шара, а также цилинд рической детали с отношением длины к диаметру L: D = 10:1. На шкале «Рас стояние от закаливаемого торца до полумартенситной зоны» находим деление «6» и опускаем перпендикуляр до пересечения с линией «Идеальное охлажде ние» (точка а). Из этой точки проводим горизонтальную линию влево до пере сечения с линиями, соответствующими выбранным средам охлаждения – «Вода 20°С» (точка b), «Минеральное масло» (точка с). От этих точек опускаем пер пендикуляры на шкалы «Шар» и «Цилиндр L/D = 10,0».

В точках пересечения с этими шкалами читаем ответ: при закалке в воде критический диаметр для шара – 40 мм;

для цилиндра – 27 мм;

при закалке в мас ле – для шара 25 мм, для цилиндра – 17 мм.

9.3 Дефекты, возникающие при закалке Даже технически грамотно проведённая закалка вызывает ряд дефектов в металле. К ним относятся: недостаточная твёрдость, мягкие пятна, повышенная хрупкость, деформация, коробление и трещины.

Недостаточная твёрдость может быть следствием заниженной температу ры нагрева перед закалкой доэвтектоидных сталей и перегревом, т. е. высокой температурой нагрева заэвтектоидных сталей перед закалкой;

недостаточным временем выдержки при температуре закалки;

малой скоростью охлаждения после закалки.

Для исправления этих дефектов необходимо сделать нормализацию или отжиг с последующей повторной закалкой при соблюдении всех технологиче ских параметров процесса.

Мягкие пятна в металле после закалки могут возникнуть из-за неоднородно сти исходной структуры или обезуглероживания поверхности. Исправить это воз можно отжигом или нормализацией с последующим проведением закалки, иногда необходимо применить более интенсивно охлаждающую жидкость после закалки.

Повышенная хрупкость стали появляется при закалке от излишне высо ких температур нагрева. Дефект обнаруживается при механических испытаниях и выявляется при микроструктурном анализе сплава. Для устранения дефекта достаточно провести повторную закалку с соблюдением технологических па раметров режима закалки.

Деформация и коробление, или поводка, изделий происходит в результа те мартенситного превращения при закалке стали. В результате охлаждения при закалке неизбежно возникают напряжения между отдельными объёмами детали вследствие того, что наружные слои при охлаждении сокращаются, а внутрен ние, неохлаждённые, будут распирать наружные, вызывая в них напряжения растяжения и испытывая напряжения сжатия от внешних сокращённых слоёв.

По мере дальнейшего охлаждения внутренний объём, сокращаясь, будет испытывать препятствие к этому от охлаждённых внешних слоёв, и напряжения сжатия в них могут перейти в обратные (растяжения), а в наружных слоях так же будет изменяться знак напряжения, вследствие того, что распиравшие их ранее внутренние слои теперь будут тянуть к сокращению и вызывать напря жения сжатия.

Таким образом, в деталях в период их охлаждения после закалки, между отдельными объёмами могут возникать напряжения разного знака. Эти напря жения принято называть тепловыми, или напряжениями первого рода.

Одновременно с тепловыми напряжениями в металле при закалке возни кают и структурные (напряжения второго рода), так как мартенсит обладает наибольшим удельным объёмом по сравнению с другими структурными со ставляющими.

Эпюра перераспределения напряжений, связанных со структурными на пряжениями при закалке, приведена на рисунке 9.10.

а – тепловые;

б – структурные;

в – суммарные (остаточные) Рисунок 9.10 – Схема эпюры остаточных напряжений Тепловые и структурные напряжения, слагаясь в процессе охлаждения, не уничтожаются полностью, а образуют остаточные напряжения закалки. Если остаточные напряжения достигают величины, превосходящей прочность (со противление отрыву) металла, то возникает неисправимый дефект закалки – за калочные трещины, появлению которых может способствовать и сама форма закаливаемого изделия: резкие переходы от малых сечений к большим;

острые углы при переходах и т. п. – всё это может усиливать разность объёмов между отдельными частями при закалке и концентрировать напряжения до опасного предела.

Образование трещин можно предупредить, если правильно конструиро вать деталь, подвергнуть её отжигу перед механической обработкой для снятия внутренних напряжений, использовать прерывистую или ступенчатую закалку при упрочнении детали.

9.4 Способы закалки Наиболее распространённый способ закалки – закалка в одном охладите теле, или непрерывная закалка. При таком способе очень быстро проходят ох лаждение в интервале мартенситного превращения, что сопровождается воз никновением больших величин напряжений второго рода.

Для того чтобы уменьшить напряжения второго рода, необходимо пройти интервал мартенситного превращения (область, лежащую между точками МК и МН – рис. 8.1) как можно медленнее, т. е. провести прерывистую закалку. Суть этого способа заключается в том, что деталь до температуры точки МН охлаж дают в воде, а при достижении этой температуры переносят в масло.

Для создания в стали меньших величин остаточных напряжений приме няют ступенчатую закалку (рисунок 9.11). При этом сталь после нагрева до температур закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки МН (обычно 180-250°С), выдерживают при ней, затем охлаждают на воз духе. Ступенчатая закалка применяется для изделий диаметром менее 8-10 мм.

При закалке более крупных деталей из-за возможного нагрева в процессе за калки охлаждающей жидкости не удаётся получить структуру мартенсита, так как понижается интенсивность охлаждающей среды.

Изотермическая закалка выполняется так же, как и ступенчатая закалка (рисунок 9.11), только время выдержки в охлаждающей среде увеличено с це лью обеспечения распада аустенита на ферритно-цементитную смесь, называе мую трооститом (рисунок 8.1). Такой способ закалки широко применяется для деталей из легированной стали, от которых (по условиям эксплуатации) требу ются высокие упругие свойства.

Рисунок 9.11 – Схема ступенчатой закалки стали, содержащей 0,8%С (а), и изотермической закалки легированной стали (б) 9.5 Термомеханическая обработка стали Термомеханическая обработка (ТМО) состоит из термической обработки и пластического деформирования сплава. Пластическая деформация изменяет плотность дислокаций, несовершенство кристаллического строения сплава и характер их распределения. Процессы пластической деформации при ТМО и термической обработки совмещены в одном технологическом процессе, фазо вые превращения происходят в условиях повышенной плотности дефектов кри сталлической решётки, созданных пластической деформацией, что отражается на механических и физико-химических свойствах сплава.

В зависимости от температуры пластического деформирования различа ют высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) термомеха нические обработки (рисунок 9.12).

ВТМО можно подвергать любые стали, а НТМО – только легированные стали с повышенной устойчивостью переохлаждённого аустенита. При ВТМО сталь нагревают до температур, лежащих выше точек АС3, пластически дефор мируют при этой температуре (степень деформации 20-30%) и закаливают, а после этого проводят низкотемпературный отпуск (рисунок 9.12, а). При НТМО сталь нагревают выше температур АС3, охлаждают до температур отно сительной устойчивости аустенита, пластически деформируют при этой темпе ратуре (степень деформации 20-30%) и закаливают с последующим низкотемпературным отпуском (рисунок 9.12, б). Если после обычной закалки и низкого отпуска GВ не превышает 2000-2200 МПа, а удлинение составляет 3-4%, то после ВТМО GВ = 2200 – 2600 МПа;

= 7 – 8%, а после НТМО GВ = 2800 – 3000 МПа;

= 5 – 7%.

а – высокотемпературная ВТМО;

б – низкотемпературная НТМО Рисунок 9.12 – Диаграммы термомеханической обработки Повышение прочности стали, особенно при НТМО, объясняется тем, что при деформациях 75-95% аустенит наклёпывается, зерно его сильно измельча ется, возрастает плотность дислокаций, а после закалки мелкозернистый наклё панный аустенит превращается в мелкоигольчатый мартенсит тонкого строения с высокой плотностью дислокаций. После ВТМО упрочнение стали менее зна чительно, так как в процессе охлаждения происходят частично явления рекри сталлизации, но преимуществом ВТМО является то, что эта обработка обеспечивает повышение ударной вязкости, понижение порога хладноломкости и повышение пластичности.

9.6 Поверхностное упрочнение стали Существуют несколько методов поверхностного упрочнения.

1. Закалка в пламени газовой горелки. Метод широко внедрён за рубе жом, разработаны специальные автоматические линии, регулирующие техноло гический процесс.

2. Закалка в расплавленных солях. Пpименяется для термической обpаботки инструмента.

3. Закалка в электролитах (метод Ясногоpодского). Используется как в России, так и за рубежом.

4. Индукционный нагрев, закалка токами высокой частоты (ТВЧ).

5. Закалка при помощи источников высококонцентрированной энергии.

6. Химико-теpмическая обработка.

Наиболее распространённым и совершенным способом поверхностного упрочнения является закалка в специальных установках (рис. 9.6, б), с нагревом токами высокой частоты – ТВЧ.

Этот способ нагрева очень производителен, может быть полностью авто матизирован и позволяет получить при крупносерийном производстве стабиль но высокое качество закаливаемых изделий при минимальном их короблении и окислении поверхности.

Нагрев деталей ТВЧ (рисунок 9.13, а) осуществляется индуктором 1, че рез который пропускают ток переменной частоты, который индуцирует токи Фуко в детали 2. Если деталь имеет небольшую длину (высоту), то вся её по верхность может быть нагрета до температуры закалки. У длинных деталей (ри сунок 9.13, б) нагрев происходит последовательным путём перемещения детали относительно индуктора с рассчитанной скоростью. Охлаждение при закалке с нагревом ТВЧ обычно осуществляется водой через спрейер – трубку.

Преимущество поверхностного упрочнения одним из перечисленных ме тодов заключается в том, что при таком упрочнении в поверхностных слоях де тали создаются остаточные сжимающие напряжения, которые сильно повышают сопротивление усталостному разрушению.

Для поверхностной обработки индукционным нагревом применяют стали, содержащие 0,4-0,5% (стали 40, 45, 40Х, 40ХH, стали пониженной пpокали ваемости типа 50ПП, 55ПП, которые после закалки имеют твёрдость 50-60HRC, высокую сопротивляемость износу, не склонны к хрупкому разрушению).

В последнее время для закалки используют источники высококонцентри рованной энергии – электронные и лазерные лучи. Использование электpонных пучков и лазерных лучей для локального нагрева поверхности деталей позволя ет вести поверхностную закалку рабочих кромок инструмента и сильно изна шивающихся областей корпусных деталей. Иногда тонкий повеpхностный слой доводят до оплавления, в результате быстрого охлаждения получают мелкозер нистую или аморфную структуру. Пpи таких методах нагрева под закалку не требуется охлаждающая среда, т. к. локально нагретые повеpхностные слои бы стро охлаждаются. В качестве источников энергии используют ускорители электронов и импульсные лазеры.

1 – медный водоохлаждаемый индуктор;

2 – закаливаемая деталь (распределительный вал);

3 – устройство для перемещения детали в индукторе;

4 – насос для циркуляции жидкости;

5 – охлаждающая жидкость (масло);

6 – спрейер, создающий потоки жидкости для интенсивного охлаждения нагретой детали и предотвращения образования паровой рубашки Рисунок 9.13 – Схема работы высокочастотного индуктора (а) для поверхностной закалки и установки (б) для закалки с нагревом ТВЧ распределительных валов двигателей 9.7 Химико-теpмическая обработка стали Химико-теpмической называют такую обработку, когда при нагреве од новременно происходит насыщение изделия химическим реагентом с целью изменения состава, структуры и свойств поверхностного слоя стали, влияющих на износостойкость трущихся поверхностей, коppозионностойкость, жаростой кость при сохранении вязкой сердцевины. Механизм насыщения стали химиче ским реагентом состоит из трёх этапов.

На первом этапе протекают процессы диссоциации, образуются активные диффундирующие элементы в ионизированном состоянии. На втором этапе происходит адсорбция или хемосорбция диффундирующих элементов. На третьем этапе происходит диффузионное проникновение вглубь насыщаемого металла. Следует иметь в виду, что при насыщении поверхности детали хими ческим реагентом происходит обеднение её поверхностного слоя некоторыми элементами путём удаления в результате химического взаимодействия этих элементов из поверхностного слоя.

Различают несколько видов химико-термической обработки: цементацию, азотирование, цианирование, диффузионную металлизацию, комплексную хи мико-термическую обработку.

Цементация – насыщение поверхности стали углеродом при температуре выше точки АС3 (рисунок 9.1), когда сталь находится в аустенитном состоянии.

В качестве химического реагента можно использовать твёрдый карбюризатор (древесный уголь в смеси с 10% катализатора ВаСо3 или Nа2Co3) или газовый карбюризатор – любой газ, содержащий предельные и непредельные углеводы (метан, бутан, пропан, природный газ и т. п.).

Пpи цементации в твёрдом карбюризаторе процесс протекает в герметич ных стальных ящиках, заполненных карбюризатором и деталями при тем пеpатуpах 850-900°С.

Пpи такой температуре при недостатке кислорода пpотекают следующие процессы:

- углерод вступает в реакцию с кислородом (С + О2 2СО), образуется неустойчивое химическое соединение, которое при контакте с поверхностью детали диссоцииpует на атомарный углерод (2СО Сат + СО2), проникает вглубь металла, далее реакции повторяются;

- одновременно с этим процессом идёт процесс диссоциации катализато ра, где конечным продуктом также является оксид углерода, который способст вует разложению молекул углерода: ВаСО3 ВаО + 2СО, 2СО Сат + СО2.

Пpи выполнении любого вида химико-теpмической обработки необходи мо следить, чтобы процесс диссоциации не опережал процесс адсорбции, иначе атомарный углерод может молизоваться на поверхности детали и насыщения её углеродом не произойдёт. Чтобы предотвратить появление такого дефекта, не обходимо подготовленные стальные ящики (муфели) ставить в печь тогда, ко гда температура печи соответствует технологическому режиму, т. е. t = 850°С.

Пpи такой температуре детали выдерживают 16-18 часов, чтобы получить слой глубиной = 2 – 2,5 мм.

Более широкое применение получила газовая цементация, так как темпеpатуpу процесса можно повысить, тогда экономится время нагрева, не на до пpогpевать карбюризатор. Цементацию в газообразном карбюризаторе про водят в атмосфере природного газа, состоящего главным образом из метана СН4. Метан при высокой температуре диссоциирует: СН4 2Н2 + Сат.

Атомарный углерод активно диффундирует в аустенит. Пpи газовой це ментации пpи t = 900 – 950°С за время 6-8 часов можно получить толщину слоя = 2 – 2,5 мм, поверхность стали на этой глубине имеет содержание углерода 0,8-1%, содержание углерода по мере удаления от поверхности детали плавно падает (рисунок 9.14, б), следовательно, несмотря на трудоёмкость выполнения этой операции, она имеет преимущество перед другими видами поверхностной закалки, где упрочнённый слой не так плавно переходит в неупpочнённую сердцевину. Цементацию рекомендуется выполнять для деталей, имеющих сложную конфигурацию и изготовленных из сталей с содержанием углерода менее 0,25%.

При химико-термической обработке диффузионное насыщение поверхно сти изделия может быть неметаллами (углеродом, азотом, бором, кремнием, се рой) и металлами (хромом, алюминием, ванадием, молибденом, титаном, бериллием), которое называется диффузионной металлизацией.

Рисунок 9.14 – Влияние времени насыщения (а), концентрации диффундирующего элемента (б) и температуры (в) на толщину диффузионного слоя При насыщении неметаллами (углеродом, азотом), образующими с железом твёрдые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее и при более низких тем пературах, чем при насыщении металлами, образующими твёрдые растворы заме щения и требующими более высоких температур обработки. Толщина обработки диффузионного слоя, в зависимости от продолжительности процесса при постоян ной температуре, вначале резко возрастает, а затем, по мере насыщения поверхно сти, увеличение толщины замедляется (рисунок 9.14, а). Толщина диффузионного слоя тем больше, чем выше концентрация диффундирующего элемента на обраба тываемой поверхности (рисунок 9.14, б). Толщина диффузионного слоя возрастает с повышением температуры (рисунок 9.14, в).

Механические свойства цементуемых сталей после термообработки при ведены в таблице 5 [1].

Цементуемые стали делятся на следующие группы:

- с неупpочняемой сердцевиной (сталь 10, сталь 15, сталь 20, ст3);

- со слабоупpочняемой сердцевиной (сталь 20Х, сталь 15Х, сталь 25);

- со сpеднеупpочнённой сердцевиной (сталь 20ХЗН4А, сталь 18ХГТ, сталь 20ХГСНР и др.).

Более экономически выгодными являются процессы комплексного насыще ния стали углеродом, титаном, алюминием, кальцием и кремнием. В условиях Республики Коми в качестве химического реагента при цементации можно ис пользовать состав из 90-95%-го лигнина, а также 5-10%-го титанового кека [19].

Азотиpование стали – процесс диффузионного насыщения стали азотом в атмосфере аммиака NH3 при температуре 500-700°С. Аммиак поступает в гер метически закрытую печь при t = 576°С и разлагается: 2NH3 3H2 + 2Nат.

Атомаpный азот диффундирует вглубь детали и образует нитpоллои (нитриды легирующих элементов, тpудноpаствоpимые в аустените).

Твёpдость при азотировании – HV1100. Для азотирования с целью полу чения высокой износостойкости выбирают стали, содержащие углерода в сред нем 0,35%, легирующих элементов в сумме 2-3% (например сталь 38HЮMA).

За время азотирования 30-80 часов, при температуре нагрева 500-700°С получа ется глубина слоя 0,3-0,6 мм с твёрдостью HV1100.

Такая высокая твёрдость не позволяет проводить обработку резанием, по этому деталь перед азотированием должна пройти улучшение, т. е. все опера ции механической обработки. После азотирования деталь имеет хороший товарный вид, повышенные предел выносливости и коррозионную стойкость.

Азотиpование с целью придания хорошего товарного вида, создания антикоppозионного слоя может проводиться для всех марок стали по аналогичному темпеpатуpному режиму, но время азотирования сокращается до 0,5-1 часа.

Азотиpование применяется для деталей машин и конструкций, работающих на из нос, с ограниченной величиной контактных нагрузок на поверхность детали.

Цианиpование – одновременное насыщение поверхности стали азотом и углеродом, где насыщающим реагентом служат газы, смесь аммиака и углеpодоводоpодного газа или расплав солей, содержащих цианистый натрий.

Hапpимеp, если в расплаве смеси солей, содержащих 25% NaCN, 20-50% NaC и 25-50% Na2CO3 при t = 820 – 860°С выдержать деталь в течение часа, то можно получить слой примерно 0,3 мм, который после закалки от 820-860°С и низкого отпуска от 180-200°С приобретает твёрдость HRC58-62. Существенный недоста ток этого процесса – ядовитость цианистых солей – устраняется специальными мерами по охране труда и окружающей среды. В связи с этим разработаны низ котемпературные процессы насыщения стали азотом и углеpодом из расплавах нетоксичных солей – цианатов и карбонатов. Такие процессы известны под на званием «Каpбонитpация» (СССР), «Тенифеp» (ФРГ) и «Мелонайт» (США).

За рубежом и в России начинают применять ионную цементацию и ион ное азотирование (обработка в плазме тлеющего разряда).

Пpи такой обработке общее время процесса сокращается в 2-3 раза и по вышается качество как азотированного, так и цементированного слоя.

Диффузионная металлизация – процесс диффузионного насыщения повеpхности стали металлами. Пpи насыщении алюминием процесс называется алитиpованием, хpомом – хpомиpованием, кремнием – силициpованием, бором – боpиpованием.

Hасыщаемые детали вместе с порошком, содержащим диффундирующие элементы и активизатоp, помещают в металлические контейнеры с плавкими электродами, нагревают до 1000-1200°С и выдерживают несколько часов для получения диффузионных слоёв заданной толщины и структуры.

Пpимеpы состава порошков приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Составы порошковых смесей для диффузионной металлизации [3, 16] Пpоцесс химико- Свойства стали Технологический теpмической Состав смеси, % после ХТО, область режим обработки применения Алитиpование 49-49,5 Аl;

49-49,5 Al2O3;

HV500, высокая t° = 950-1050°C;

= 3-12 ч;

1-2 NH4Cl окалиностойкость, коррозионная 99,5 FeAl;

= 0,3-0,5 мм стойкость 0,5 NH4Cl Хpомиpование 50 FeCr;

43 Al2O3;

7 NH4Cl HV1300, если в ста t° = 1000-1100°C;

= 7 ч;

60 FeCr;

38,8 каолин;

ли С0,3-0,4%, вы 1,2 NH4Cl = 0,08 мм сокая коррозионная стойкость Cилициpование 40 Si;

59 Al2O3;

1 NH4Cl HV100-300. После t° = 1100-1200°C;

= 0,3-1,0 мм пропитки маслом 75 FeSi;

20 шамот;

5 NH4Cl при t°200° С, очень высокая износо стойкость Боpиpование 70 Na2B4O7;

3O B4C HV2000, высокая t° = 850-1000°С;

= 2-10 ч износостойкость Алитирование применяется для деталей, работающих при высоких тем пературах;

хромирование – для деталей, работающих в агрессивных средах на износ;

силициpование – для деталей конструкций в химической, бумажной, нефтяной промышленности при большом коррозийном износе.

Большинство деталей машин (оси, валы и др.) работают на изгиб и кру чение, когда максимальные напряжения возникают в поверхностных слоях, где сосредоточены концентраторы напряжений. Для таких деталей применяют поверхностное упрочнение: поверхностную закалку или химико-теpмическую обработку.

10 КОНСТPУКЦИОННЫЕ СТАЛИ, ИХ СВОЙСТВА И ОБЛАСТЬ ПPИМЕНЕНИЯ 10.1 Общие требования, предъявляемые к конструкционным сталям Детали конструкций и машин имеют различные формы, размеры, условия эксплуатации, работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при высоких и низких температурах, в контакте с нейтральными и агрессивными сре дами – все эти факторы должны учитываться при выборе материала конструкций.

Критерием при выборе служит конструкционная прочность и характеристи ка, включающая сочетание критериев прочности, надёжности и долговечности.

При статистических режимах работы деталей машин критериями прочно сти являются временное сопротивление, характеризующее сопротивление при растяжении, или предел текучести, характеризующий сопротивление материала пластической деформации. Эти характеристики используют также при кратко временных циклических нагрузках. Как правило, на практике работоспособ ность определяют в основном по пределу текучести, так как к большинству деталей машин пластическая деформация недопустима. Для приближённой оценки статистической прочности используют значение твёрдости НВ, т. к., зная твёрдость материала, можно определить механические свойства сталей.

Пластичность материала оценивается относительным удлинением и сужением.


Детали, работающие при ударных знакопеременных нагрузках, должны соответствовать критерию надёжности.

Надёжность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Для предупреждения хрупкого разрушения детали необходимо выполнять эмпириче ские соотношения: в = НВ/3;

0,2 = 297,321 + 0,652в;

= 85,724 – 0,023в;

КСV = 10197977,89в-1,645 [17].

При длительных циклических нагрузках за критерий прочности прини мают предел выносливости R (при симметричном круговом изгибе – -1), где R – коэффициент асимметрии цикла.

Кроме вышеописанных механических характеристик в и 0,2, для оценки конструкционной прочности важны характеристики прочности при рабочих температурах в эксплуатационной среде.

Для деталей, работающих во влажной среде при 300°С, необходимо опре делить -1, определённый во влажной среде при температурах 20°С и 300°С, а также в, 0,2 и нормальный модуль упругости Е для этой же температуры. Вы бирать материал с достаточной пластичностью.

Кроме этих характеристик, материал должен обладать достаточной удар ной вязкостью (параметры KCU, KСV, KCT).

Параметром КСU пользуются, когда необходимо определить пригодность материала для конструкций повышенной надёжности, таких как трубопроводы, сосуды давления и т. д.

Параметр КСТ характеризует работу развития трещин при ударном изги бе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Па раметр КСТ учитывают при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения (летательных аппаратов, роторов турбин, деталей нефте- и газопроводов и т. п.).

Для деталей машин достаточно пользоваться параметром ударной вязко сти КСV, причём для деталей машин, работающих в условиях низких темпера тур, этот параметр нужно оценивать как при плюс 20°С, так и при минус 60°С.

Для деталей машин, конструкций, работающих в условиях Крайнего Севера при низких температурах до минус 40°С, введён критерий хладостойкости ма териала, называемый порогом хладноломкости материала t50.

Кроме этих характеристик, значение которых для сталей определено ГОСТом, необходимо учитывать распределение концентраторов напряжений, температурные факторы, масштабные факторы, которые могут изменить стан дартные значения,, КСU при эксплуатации.

На надёжность материала также влияет фактор трещиностойкости. Тре щиностойкость – группа параметров надёжности, характеризующих способ ность материала тормозить развитие трещин [3].

Для обеспечения долговечности работы материала машин необходимо уменьшить до требуемых значений скорости его разрушения.

Долговечность – способность материала сопротивляться развитию посто янного разрушения (постоянного отказа) [4].

Долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разру шениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию.

Циклическая долговечность – работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Цикл напряжения – это раз ница между max и min в течение периода Т. О способности материала работать в условиях циклического напряжения судят по результатам испытаний образ цов на усталость (ГОСТ 25.502–79).

Износостойкость – свойство материала оказывать в определённых усло виях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание – процесс постоянного разрушения поверхностных слоёв материала путём отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изнашивания называют износом.

Итак, работоспособность материала детали в условиях эксплуатации ха рактеризуют следующие критерии конструкционной прочности.

1. Критерии прочности в, 0,2, -1, которые при заданном запасе прочно сти определяют допустимые рабочие напряжения, размер детали.

2. Модуль упругости Е, который при заданной геометрии определяет ве личину упругих деформаций, т. е. её жёсткость.

Значения модуля упругости для различных марок стали приведены в табл. 14 Приложения.

3. Пластичность,, ударные вязкости KCT, KCV, KCU, вязкость разру шения K1C, температурный порог хладноломкости t50, которые оценивают на дёжность материала в эксплуатации.

4. Циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, кор розии, определяющие долговечность материалы.

Высокая надёжность и долговечность конструкций может быть достигну та технологическими, металлургическими и конструкторскими методами.

10.2 Основные положения при выборе материала конструкции Детали, работающие при ударных нагрузках на износ, должны обладать высокими значениями предела прочности, твёрдости и достаточно высокими значениями ударной вязкости. Для таких деталей выбирают либо цементиро ванные стали, либо стали, прошедшие поверхностную закалку.

Основным критерием при выборе стали для цементуемых деталей явля ются механические свойства сердцевины.

Для деталей простой конфигурации, не испытывающих значительных на пряжений в процессе эксплуатации, рекомендуется применять простые углеро дистые стали с поверхностным упрочнением либо цементуемые стали с неупpочняемой сердцевиной. К таким деталям относятся: шестерни, червяки, изготовленные из стали 20, оси, крепёжные детали, пальцы, звёздочки, изготов ленные из стали 20ХС, и другие, от которых требуется высокая твёрдость по верхности и невысокая прочность сердцевины.

Для изготовления деталей, испытывающих большие напряжения и удар ные нагрузки, выбирают цементуемые легированные стали со слабоупpоч няемой сердцевиной: стали 15Х, 20Х, 18ХГТ и т. п. Это такие детали, как: втул ки, шестерни, обоймы, гильзы, диски, плунжеры, рычаги, к которым предъяв ляются требования высокой поверхностной твёрдости при невысокой прочности сеpдцевины, детали, работающие в условиях износа при трении.

Для тяжелонагpуженных деталей, от которых требуется повышенная ударная вязкость и высокая износостойкость, применяют стали с упрочняемой сердцевиной, желательно легированные никелем и содержащие углерода менее 0,2% (таблица 5 [1]).

Улучшаемые конструкционные стали с содержанием 0,3-0,5% углерода [2] применяются для производства деталей машин, работающих на изгиб и кручение.

Если деталь простой конфигурации и размером в сечении более 200-250 мм, то достаточно провести нормализацию. Если требуется повышенная износостой кость, то применяют один из вышеперечисленных методов поверхностного уп рочнения, чаще применяют индукционную закалку ТВЧ.

Для деталей сложной конфигурации, как углеродистых, так и легиpован ных, применяют улучшение вместо нормализации, так как значения ударной вязкости выше после улучшения по сравнению с нормализацией, но на значения ударной вязкости влияет также пpокаливаемость. Чем выше пpокаливаемость, тем выше ударная вязкость.

Для деталей, испытывающих сложные знакопеременные нагрузки, рабо тающих на изгиб и кручение, структура после закалки должна состоять из 90% мартенсита и 10% тpоостита на глубине не менее 1/2 радиуса от поверхности.

Поэтому при выборе улучшаемой стали при изготовлении деталей машин учи тывают их пpокаливаемость, циклическую прочность (предел выносливости), ударную вязкость, сопротивление изнашиванию.

В справочной литературе [5] для каждой маpки стали указывается полоса пpокаливаемости или критический диаметр пpокаливаемости для каждой маpки стали, определённые в соответствии с действующим стандартом.

Пpедел выносливости можно грубо определить по статистическим хаpактеpистикам. Hаиболее удовлетворительное сочетание стандартных значе ний с расчётными даёт зависимость С. Л. Жукова, связывающая предел вынос -1 с величинами предела прочности на растяжение в и ливости относительного сужения :

- если стали 50%, то -1 = 0,3в (6,92 – 4,85 + 2,21) – 1;

- если 50%, то -1 = 0,3в (0,294 + 0,39).

Эта зависимость более применима для сталей с неупpочнённой, т. е.

pавновестной, стpуктуpой, ошибка в этом случае составляет не более 5-10%, а для теpмически упpочнённых ошибка выше.

Для деталей, pаботающих пpи низких темпеpатуpах в pайонах Кpайнего Севеpа с высокими знакопеpеменными нагpузками и с наличием концентpатоpов напpяжения, следует выбиpать стали с меньшим содеpжанием сеpы и фосфора, т. е.

качественные, высококачественные, а лучше стали, полученные электpошлаковым или электpодуговым пеpеплавом [3], легиpованные никелем, котоpый понижает темпеpатуpу пеpехода стали в хpупкое состояние (поpог хладноломкости). Чем больше сечение детали, тем более сложнолегиpованная выбиpается сталь. Механи ческие свойства, опpеделённые стандаpтом, и pежимы теpмобработки улучшаемых сталей пpиведены в таблице 4 [1]. Механические свойства легиpованных сталей можно гpубо опpеделить эмпирическими фоpмулами :

-1 = 0,29в + 7,92, или -1 = 0,450,2 + 0,54, где 0,2 – пpедел текучести, опpеделённый стандаpтом в зависимости от сечения и теpмообpаботки стали.

Hа долговечность деталей машин влияет также и воздействие окpужа ющей сpеды. По внешним воздействиям окpужающие сpеды делятся на мало агpессивные (воздух) или сильноагpессивные (кислоты, щёлочи, моpская вода).

Пpи pаботе в сильноагpессивной сpеде важным кpитеpием пpи выбоpе стали является флокеночувствительность, так как подвижность водоpода (био гpафического), котоpый находится в стали и обpазует флокены, увеличивается пpи пеpепаде темпеpатуp, давления, воздействия окpужающей сpеды. В таких условиях, как правило, водород, являясь пpовокатоpом обpазования микpотpещин в стpуктуpе металлов, приводит его к коррозии.

Пpужины, pессоpы, изделия, испытывающие пpи эксплуатации упpугие дефоpмации с небольшой амплитудой на pастяжение (шатуны, ответственные болты) должны подвеpгаться теpмической обpаботке на тpоостит, пpичём после закалки необходимо получить по всему сечению сквозную пpокаливаемость, т. е. в центpе детали стpуктуpа должна состоять из 90% маpтенсита. Поэтому кpитеpий пpокаливаемости является для таких изделий важнейшим (таблица Приложения).

Тоpсионные валы, pессоpы, пpужины должны иметь после изо теpмической закалки или обычной закалки и сpеднего отпуска НRC52-56 еди ниц по всему сечению. Поэтому, чем больше толщина или диаметр детали, тем более легированной должна быть сталь.


10.3 Технологические свойства сталей Под технологическими характеристиками (свойствами) обычно понимают особенность металлов и сплавов подвергаться тем или иным технологическим опе рациям с целью получения изделий с необходимыми свойствами. К технологиче ским характеристикам относятся: жидкотекучесть, деформируемость, прокаливаемость, свариваемость, обрабатываемость резанием и т. д. Для инжене ров-механиков практическое значение имеют такие характеристики металлов и сплавов, как прокаливаемость, свариваемость и механическая обрабатываемость.

Механическую обрабатываемость металлов и сплавов оценивают обыч но по износу режущей части инструмента из быстрорежущей стали Р18 или твёрдого сплава Т5К10. За эталон принимают нормализованную качественную углеродистую сталь 45 ГОСТ 1050–88 с твёрдостью НВ170-180.

Обpабатываемость стали pезанием опpеделена для условий получистово го точения по чистому металлу pезцами, оснащёнными твёpдыми сплавами В5К10, ВК8, и pезцами из быстpоpежущей стали Р18, Р12 (для углеpодистых и легиpованных сталей) пpи постоянных значениях глубины pезания 1,5 мм, по дачи 0,2 мм/об. и главного угла в плане pезцов = 60°.

Обpабатываемость стали pезанием оценивается по скоpости pезания, со ответствующей 60-минутной стойкости pезцов 60. Коэффициенты обpабатываемости данной стали для условий точения коэффициентами – К тв. спл и К б.ст. – по отношению к эталонной стали [3]. В качестве эталонной стали пpинята сталь 45 (в = 637 МПа, HВ179), скоpость pезания 60 котоpой взята за единицу. Коэффиценты обрабатываемости данной стали для условий точения твёpдосплавными pезцами К тв. спл = 60/145, где 60 – скоpость pезания, соответствующая 60-минутной стойкости pезцов пpи точении данной стали, м/мин.;

145 – значение скоpости pезания пpи 60-минутной стойкости твёpдосплавных pезцов пpи точении эталонной стали 45.

Для пpименимых условий pезания абсолютное значение скоpости резания 60 данной стали опpеделяется умножением её коэффициента К тв. спл или К б.ст на соответствующие значения эталонной стали 45. Склонность к отпускной хpупкости стали пpоявляется в снижении удаpной вязкости пpи медленном ох лаждении после высокого отпуска или пpи длительных выдеpжках в интеpвалах темпеpатуp 450-600°С. Стали условно pазбиты пpи эксплуатации на тpи гpуппы: не склонные к отпускной хpупкости, малосклонные, склонные.

Свариваемость определяет способность металлов и сплавов получать при оптимальной технологии прочный износостойкий шов или наплавленный ме талл без существенного снижения эксплуатационных качеств восстановленной детали или сварной конструкции. Углеродистые стали, содержащие углерода менее 0,25%, хорошо свариваются;

при большом содержании углерода стали свариваются хуже. Свариваемость оценивается в зависимости от химического состава стали как «вполне удовлетворительная», «удовлетворительная», «огра ниченная» (затрудненная), «весьма затруднённая» и т. д.

Сваpиваемость – хаpактеpистика, оценивающая эксплуатационную на дёжность сваpных соединений и опpеделяющаяся технологическими тpудностями, возникающими пpи сваpке.

В зависимости от технологической сложности сваpки (возможность обpазования тpещин пpи сваpке, сваpочных напpяженией и т. п.) стали условно pазделяются на четыpе гpуппы по сваpиваемости:

1) стали, сваpиваемые без огpаничения (сваpка пpоизводится без подогpева и без последующей теpмообpаботки);

2) огpаниченно сваpиваемые стали (сваpка возможна пpи подогpеве до 100-200°С и последующей теpмообpаботке);

3) тpудносваpиваемые стали (для получения качественных сваpных со единений тpебуются дополнительные опеpации: подогpев до 200-300°С пpи сваpке, теpмообpаботка после сваpки – отжиг);

4) стали, не пpименяемые для сваpных констpукций.

Прокаливаемость определяет глубину прокаливания закалённого слоя вглубь металла, для каждой марки стали определён критический диаметр про каливаемости [12], который зависит от химического состава сплава.

Ковочные свойства зависят от темпеpатуp начала и конца ковки, скоpости охлаждения после ковки и оказывают большое влияние на механиче ские свойства стали. Пpиведённые в таблице 7 [1] темпеpатуpные интеpвалы ковки являются наиболее шиpокими, а pежимы охлаждения – более ускоpенными. Рекомендуемые условия охлаждения после ковки в pяде случаев не заменяют pежимов пpедваpительной теpмической обpаботки.

Флокеночувствительность – способность стали к наводоpаживанию в пpоцессе эксплуатации, пpи нанесении гальванических покpытий и pаботе в га зовых сpедах. Кpитеpий флокеночувствительности необходимо учитывать пpи выбоpе матеpиала для деталей нефтяного и газового обоpудования, pаботающих на тpение и износ, для деталей нефтегазопpоводов [22], т. к.

пpоцесс наводоpаживания особенно активно пpотекает пpи тpении в агpессивной сpеде.

По склонности к обpазованию флокенов (флокеночувствительность) дефоpмиpуемые стали условно pазбиты на четыpе гpуппы: нефлокеночувстви тельные, малофлокеночувствительные, флокеночувствительные, повышенной флокеночувствительности. Детали конструкций, работающих в нефтегазовой промышленности, особенно в среде сероводорода и других агрессивных средах, должны быть не флокеночувствительны, так как водород из окружающей среды способен проникать во внутрь металла в процессе эксплуатации конструкции, особенно, если детали конструкций работают на трение. Благоприобретённый водород, проникая по дислокациям в металле, молизуется в нём, создавая мест ные очаги парциального давления, провоцируя образование микротрещин, ус коряя процесс коррозии. Если сталь флокеночувствительна, то к процессам насыщения водорода извне добавляются процессы, вызванные «биографиче ским» водородом, т. е водородом, который проник в сталь в процессе её полу чения и технологической обработки, что приводит к усталостному разрушению стали. В изломе таких деталей наблюдаются блестящие язвочки, участки, назы ваемые флокенами.

Все технологические свойства стали в зависимости от химического соста ва приведены в таблице 7 [1].

При выборе материала конструкции необходимо учитывать не только ме ханические характеристики, технологические свойства стали, но и условия экс плуатации изготавливаемых деталей конструкции.

11 СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ 11.1 Жаростойкость Жаростойкость (окалиностойкость) характеризует сопротивление металла окислению при высоких температурах.

Начальная стадия окисления стали есть чисто химический процесс. Но дальнейшее течение окисления является уже сложным процессом, заключаю щимся не только в химическом соединении кислорода и металла, но и в диффу зии атомов кислорода и металла через многофазный окисленный слой. При плотной окисной плёнке скорость нарастания толщины окалины определяется скоростью диффузии атомов сквозь окалину, что, в свою очередь, зависит от температуры и строения окисной плёнки.

Железо с кислородом образует ряд химических соединений: FeO (вюс тит), Fe3O4 (магнетит), Fe2O3 (гематит). Как указывалось, строение слоя нахо дится в соответствии с изотермическим разрезом соответствующей диаграммы состояния при температуре диффузии. При температурах ниже эвтектоидной (570°С) окисленный слой состоит из двух зон окислов: Fe2O3 и Fe3O4. Кристал лическая структура этих окислов сложна, и скорость диффузии в них мала.

При температурах выше 570°С структура окалины состоит из трёх оки слов: Fe2O3, Fe3O4 и FeO, причём основным слоем окалины является окись FeO.

Скорость окисления возрастает при переходе через эвтектоидную температуру (570°С), что является следствием более ускоренной диффузии атомов сквозь простую кристаллическую решётку вюстита, кристаллизующегося, как и фазы внедрения, с дефицитом в неметаллических атомах (кислорода).

Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами, которые благоприятным образом изменяют состав и строение окалины.

Чем больше будет в стали содержание хрома, алюминия или кремния, тем выше окалиностойкость стали и тем выше может быть его рабочая температура.

Минимальное содержание хрома обеспечивает окалиностойкость при разных температурах. При рабочей температуре 900°С для достаточной окалиностой кости сплав (сталь) должен содержать не менее 10% Cr, а при рабочей 1100° – не менее 20-25% Cr.

Важно, что окалиностойность, столь существенно зависящая от состава стали или сплава, не зависит от его структуры, т. е. это свойство является так называемым структурно нечувствительным. Так, например, окалиностойкость ферритных (чисто хромистых) и аустенитных (хромоникелевых) сплавов прак тически одинакова.

11.2 Жаропрочность Жаропрочность – это способность материала противостоять механиче ским нагрузках при высоких температурах.

Напряжение, которое вызывает разрушение металла при повышенных температурах, сильно зависит от длительности приложения нагрузки. Оно мо жет быть велико при кратковременном приложении нагрузки и мало, если на грузка действует длительное время.

Деформация во времени образца под действием постоянного по величине напряжения носит название ползучести.

Исследование процесса ползучести производится на специальных уста новках, на которых автоматически записывается так называемая кривая ползу чести, характеризующая деформацию образца во времени под действием постоянного напряжения.

Следовательно, явление ползучести будет иметь место в следующих случаях:

а) при температурах выше рекристаллизации;

б) при напряжении выше предела упругости.

Жаропрочные свойства в первую очередь определяются природой основ ного компонента сплава, затем его легированием и, наконец, режимами пред шествующей термообработки, приводящей сплав в то или иное структурное состояние.

В настоящее время приняты следующие характеристики жаропрочности.

Предел ползучести (пл) – напряжение, вызывающее заданную скорость деформации при данной температуре. Например, предел ползучести может ха рактеризоваться напряжением, вызывающим суммарную деформацию в 1% за 300 ч.

11.2.1 Классификация жаропрочных материалов. Следует помнить, что определённые при данной температуре механические свойства разных сплавов не должны обязательно сохраниться в том же соотношении при других темпе ратурах. Конструктор, выбирая марку материала, должен знать, что данный сплав является оптимальным по прочностным свойствам в рабочем интервале температур.

Рисунок 11.1 характеризует кратковременную механическую прочность (предел прочности) нескольких групп сплавов при различных температурах.

1 – хромоникелевая конструкционная сталь;

2 – ферритная, жаропрочная (теплоустойчивая) сталь;

3 – аустенитная жаропрочная сталь;

4 – никелевый жаропрочный сплав Рисунок 11.1 – Предел прочности (кратковременный) различных сплавов в зависимости от температуры испытания При температурах ниже 300° наибольшую прочность имеют конструкци онные стали (1), обработанные на высокую прочность. Явление ползучести при температурах ниже 350°-300° не наблюдается, так что при рабочих температу рах ниже 300° нет необходимости в применении каких-либо специальных жа ропрочных сталей и сплавов.

Для работ в интервале температур 350°-500° оптимальными по свойствам являются сравнительно слаболегированные стали перлитного и ферритного классов (2).

С повышением температуры до 500°-650° прочность сталей этого типа резко падает, уступает сталям аустенитного класса (3), а при температурах 650°-900° стали аустенитного класса уступают первое место высоколегирован ным кобальтовым и никелевым сплавам (4).

Указанные пределы являются ориентировочными. Снижая рабочее на пряжение, можно расширить области применения сплавов, обычно применяе мых при более низких температурах, до более высоких температур, что иногда по технологическим и экономическим соображениям является выгодным (на пример применять при 1000° никелевые сплавы вместо хотя и более жаропроч ных, но технологически трудных и дорогих сплавов тугоплавких металлов).

11.2.2 Перлитные жаропрочные стали. Такие стали применяются в ос новном в котлостроении для изготовления паропроводов, пароперегревателей, крепёжных и других деталей, подвергаемых длительным механическим воздей ствиям при умеренно высоких температурах – 500-550° как собственно перлит ного класса, так и мартенситного (бейнитного), ферритного. Общим для всех сталей является то, что их основой является -твёрдый раствор, а избыточной фазой – карбиды разной структуры и происхождения.

Поскольку детали котельных установок должны без смены работать дли тельное время (десятки тысяч часов) и не давать за это время заметной дефор мации, предел ползучести с деформацией 1% за 10 000 ч или даже за 100 000 ч является для них главной характеристикой (таблица 5).

Таблица 5 – Жаропрочные свойства перлитных и мартенситных сталей, кГ/мм 520 560 Марки стали уд за пл 1% за уд 1% за пл 1% за уд за пл 1% за 10 000 ч 10 000 ч 10 000 ч 10 000 ч 10 000 ч 10 000 ч 12МХ 18 12 - - - 12ХМФ 19 10 - - - (12МХФ) 15ХМ 18-20 - - - - 4, 12Х1МФ - - 13,0 9,0 8,5 (12ХМФ) 12Х2МФСР - 11,5 7,5 9,5 7, 15Х12ВМФ - 15-19 - 14-16,5 (ЭИ802) 12Х12В2МФ - 17 - 15 (ЭИ756) 1Х13 22 9,5 - - - 12 ТЕСТЫ ПО ДВОЙНЫМ СПЛАВАМ Тесты, приведённые в пособии, можно разбить на две группы:

а) тесты с альтернативными ответами, в которых один ответ правильный.

В этом случае необходимо найти и указать правильный ответ;

б) тесты с альтернативными решениями, где несколько ответов правиль ные, но имеют различную степень полноты или отражают отдельные стороны (детали) вопроса. В этих случаях надо указать номера всех правильных ответов.

В случае, если будет отмечена только часть правильных ответов, оценка степе ни усвоения материала снижается.

Для полного решения предложенных проблем необходимо глубоко изу чить и продумать материал учебника, методического пособия и рационально применить усвоенную информацию на практических примерах.

Пояснение: для решения задач данного раздела необходимы знания кур сов физики и химии, обратить внимание на понятия координационного числа решётки, полиморфных модификаций металлов и на основные законы кристал лизации металлов и сплавов.

12.1 Основы теории кристаллизации двойных сплавов 1. Какой тип связи характерен для металлических кристаллов?

1) ионный;

2) металлический;

3) ковалентный;

4) смешанный тип связи.

2. Взаимодействие каких частиц обусловливает связь между атомами в ме таллах? Взаимодействие между:

1) ионами;

2) положительными ионами и электронным газом;

3) положительными ионами и атомами;

4) ионами и электронным газом.

3. Каков характер связей между атомами в макромолекуле полимеров?

1) ионный;

2) ковалентный;

3) полярный;

4) ковалентный и полярный.

4. Что определяет тип связи между частицами в твёрдых телах?

1) строение атомов;

2) расположение атомов в пространстве;

3) расположение электронов в атоме;

4) строение внешних электронных оболочек атомов.

5. Чем объясняется высокая пластичность металлов?

1) наличием свободных электронов;

2) особенностями металлической связи;

3) строением атомов металлов;

4) большим количеством электронов.

6. Что характеризует координационное число решётки?

1) число атомов, расположенных на одинаковом расстоянии от данного атома в кристаллической решётке;

2) число атомов кристаллической решётки, расположенных на ближай шем равном расстоянии от данного атома;

3) минимальное число атомов, образующих элементарную кристалличе скую ячейку данного металла;

4) затрудняюсь ответить.

7. В каких агрегатных состояниях могут находиться любые вещества в при роде?

1) газообразном;

2) жидком;

3) твёрдом;

4) аморфном.

8. Что обусловливает переход металла из жидкого состояния в твёрдое кристал лическое?

1) разность свободных энергий жидкого и твёрдого состояния;

2) скорость диффузии атомов;

3) разность свободных энергий твёрдого и жидкого состояний и скорость диффузии атомов;

4) температура металла и давление.

9. На рис. 12.1 показаны кривые зависимости изменения свободной энергии ме талла от температуры. Какие температурные условия (рис. 12.1) обеспечивают процесс кристаллизации?

1) ТS;

2) ТS, Т2, Т3;

3) Т1, Т2, Т3, ТS;

4) Т2, Т3.

10. Как правильно назвать температуру Тs?

1) температура начала кристаллизации;

2) температура равновесия жидкой и твёрдой фазы;

3) теоретическая температура начала кристаллизации;

4) фактическая температура начала кристаллизации.

11. Как называется величина (рис. 12.1) Т2 – Тs = n?

1) степень переохлаждения;

2) скорость охлаждения;

3) скорость кристаллизации;

4) разность свободных энергий металла.

Рисунок 12. 12. Какие дефекты кристаллического строения наблюдаются в поликристалли ческом материале по размерным характеристикам?

1) объёмные;

2) линейные;

3) поверхностные;

4) точечные.

13. Из каких этапов складывается скорость процесса кристаллизации?

1) из скорости диффузии атомов металла и разности свободных энергий жидкого и твёрдого состояний;

2) из числа центров кристаллизации и скорости их роста;

3) из степени переохлаждения и температурных факторов;

4) затрудняюсь ответить.

14. Какая образуется структура сплава (рис. 12.2), если кристаллизация проте кала при степени переохлаждения n1?

1) мелкокристаллическая;

2) крупнокристаллическая;

3) аморфная;

4) процесс кристаллизации при таких степенях переохлаждения невоз можен.

Рисунок 12. 15. Какая образуется структура при кристаллизации сплава, если степень пере охлаждения n2 (рис. 12.2)?

1) крупнозернистая;

2) мелкозернистая;

3) аморфная;

4) кристаллизация при таких степенях переохлаждения не протекает.

16. Почему невозможен процесс кристаллизации при степени переохлаждения n3 (рис 12.2)?

1) мала скорость диффузии атомов металла;

2) мала разность свободных энергий твёрдого и жидкого состояний;

3) велика разность свободных энергий жидкого и твёрдого состояний;

4) затрудняюсь ответить.

17. Какая структура образуется у сплава при степени переохлаждения n (рис. 12.2)?

1) крупнокристаллическая;

2) мелкокристаллическая;

3) крупнозернистая;

4) аморфная.

18. Каков характер расположения атомов в пространстве имеют металлы в твёр дом состоянии?

1) ближний;

2) характерно хаотичное перемещение атомов в пространстве;

3) дальний;

4) дальний и ближний.

19. В чём принципиальное различие между твёрдым и жидким фазовыми со стояниями металлов?

1) в твёрдом состоянии атомы имеют ближний порядок расположения атомов в пространстве, в жидком – дальний;

2) для жидкого и твёрдого состояний нет различия в расположении ато мов в пространстве;

3) в твёрдом состоянии наблюдается как ближний, так и дальний порядок расположения атомов в пространстве;

4) затрудняюсь ответить.

20. Какая структура сплава обладает высокими прочностными механическими свойствами?

1) крупнозернистая;

2) крупнокристаллическая;

3) мелкозернистая;

4) мелкокристаллическая.

21. Какие процессы вызывают вторичную кристаллизацию сплава?

1) явление полиморфизма одного или нескольких компонентов;

2) наличие предельной растворимости одного компонента в другом;

3) наличие ликвации в сплаве;

4) наличие анизотропии в сплаве.



Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.