Шпаргалка по "Материаловедению"

Механизм упругой и  пластической деформации.

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений. Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.

Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений. При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает.

Пластической или остаточной называется деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация

 

14. Влияние нагрева  на структуру и свойства деформированного  металла. Возврат и рекристаллизация.

Деформированный металл по сравнению  с недеформированным имеет повышенный запас энергии и находится в неравновесном, термодинамически неустойчивом состоянии. В таком металле даже при комнатной температуре могут самопроизвольно протекать процессы, приводящие его в более устойчивое состояние. Однако, если деформированный металл нагреть, то скорость этих процессов возрастает.

Небольшой нагрев (для железа 300-400°С) ведет к снятию искажений  кристаллической решетки, но микроструктура остается без изменений, зерна по-прежнему вытянуты. Прочность при этом несколько; снижается, а пластичность повышается. Такая обработка называется возвратом или отдыхом.

При дальнейшем повышении  температуры подвижность атомов возрастает и среди вытянутых  зерен идет интенсивное зарождение и рост новых равноосных свободных от напряжений зерен. Зародыши новых зерен возникают в участках с наиболее искаженной кристаллической решеткой, с повышенным уровнем свободной энергии, термодинамически наименее устойчивых. Новые зерна растут за счет старых, вытянутых, до их столкновения друг с другом и до полного исчезновения вытянутых зерен. Это явление называется рекристаллизацией (первичной).

Рекристаллизация является диффузионным процессом и протекает  неравномерно, одни зерна зарождаются  и растут раньше, другие позднее. После  рекристаллизации металл состоит из новых равноосных зерен. Более высокий нагрев приводит к развитию собирательной рекристаллизации, т. е. к росту одних рекристаллизованных зерен за счет других, более мелких. Чем выше температура нагрева, тем интенсивнее идет собирательная рекристаллизация, так как с повышением температуры диффузионные процессы протекают быстрее и создают условия для образования крупнозернистого металла.

\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15. Классификация  видов термической обработки.

 

Группа первая — процессы термической обработки, приводящие к упрочнению изделий во всем объеме: закалка с последующим отпуском (например, высокотемпературным, так  называемое улучшение), закалка с  последующим старением.

Группа вторая — процессы термической обработки, приводящие к поверхностному упрочнению изделий  с целью повышения износоустойчивости, предела выносливости (стойкость  при знакопеременных нагрузках), устранения влияния концентраторов напряжений и, в некоторой степени, общего упрочнения. Для этой цели применяются  поверхностная закалка и некоторые  процессы химико-термической обработки (цементация, азотирование, борирование). К тем же результатам приводит поверхностный наклеп (так называемая дробеструйная обработка).

Группа третья — процессы термической обработки, приводящие к общему смягчению изделий, снятию внутренних напряжений, повышению пластичности и ударной вязкости. К этой группе принадлежат процессы отжига, нормализации и отпуска.

 

16. Отжиг 1 и 2 рода

Отжиг — вид термической  обработки металлов и сплавов, заключающийся  в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении. При отжиге осуществляются процессы возврата (отдыха металлов), рекристаллизации и гомогенизации. Цели отжига — снижение твёрдости для повышения обрабатываемости, улучшение структуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений.

Отжиг 1 рода — без фазовой  перекристаллизации — применяется  для приведения металла в более равновесное структурное состояние: снимается наклёп, понижается твёрдость, возрастают пластичность и ударная вязкость, снимаются внутренние напряжения (в связи с процессами отдыха и рекристаллизации)

 

Отжиг 2 рода осуществляется с фазовой перекристаллизацией: сталь нагревается до температуры  выше критических точек, затем следует  выдержка различной продолжительности  и последующее сравнительно медленное  охлаждение.

Линия PSK на диаграмме железо-углерод - А1( при процессах нагрева Ас1; охлаждения -Аr1). Линия GS – А3(при процессах нагрева Ас3; охлаждения - Аr3). Линия ES - Асm(при процессах нагрева Ассm; охлаждения - Аrсm).

 

17. Закалка сталей

Закалка стали

Закалкой стали называется операция термической обработки, заключающаяся  в нагреве её по крайней мере выше критической точки Ac1(T.e. до аустенито-ферритного, аустенитного или аустенито-цементитного), выдержке и последующем охлаждении в различных средах с целью получения при комнатной температуре неустойчивых продуктов распада аустенита, а следовательно, повышения твёрдости и прочности. 
В большинстве случаев основная цель закалки - повышение твёрдости и прочности - достигается превращением аустенита в одну из самых прочных структур - мартенсит. Его образование требует быстрого охлаждения с температуры закалки.

Выбор температуры  закалки.

В зависимости от температуры  нагрева закалка может быть полной и неполной. 
В случае, если нагрев производится выше линии GSE диаграммы (точки асз и Аcm), то полученная при этом однофазная структура аустенита при охлаждении со скоростью больше некоторой критической превращается в чистый мартенсит. Такую закалку называют полной. 
При неполной закалке нагрев стали осуществляется выше линии РSК(точка Ac1), но ниже линии GSE. При этом в доэвтектоидных сталях образуется структура аустенит + феррит, а в заэвтектоидных - аустенит + цементит. В таком случае даже охлаждение с очень высокой скоростью не может обеспечить чисто мартенситной структуры, так как избыточные фазы (феррит или цементит) сохраняются в структуре без изменений, В результате в доэвтектоидных сталях получается структура мартенсит + феррит, а в заэвтектоидных – мартенсит + цементит. 
Таким образом, для доэвтектоидных сталей целесообразно производить полную закалку на чистый мартенсит, а для заэвтектоидных - неполную, которая кроме мартенсита сохраняет в структуре некоторое количество цементита. Для эвтектоидной стали возможна только полная закалка. 
Следует иметь в виду, что нагрев стали при закалке до температур, значительно превышающих критические точки Ac3 и Аcm, вообще не желателен, так как может привести к сильному обезуглероживанию и окислению поверхности деталей, укрупнению зерна аустенита и увеличению внутренних напряжений. В итоге после закалки с таких температур твёрдость поверхности оказывается заниженной, наблюдается повышенная деформация детали, получающийся мартенсит имеет грубое строение и обладает повышенной хрупкостью. 
Всё это позволяет придти к выводу, что в зависимости от состава стали её нагрев под закалку целесообразно осуществлять до температур, лежащих на 30... 50 0С выше линии GSK (рис 2)

Скорость охлаждения при закалкеСтруктура и свойства закаленной стали в большей степени зависят не только от температуры нагрева, но и от скорости охлаждения. Получение закалочных структур обусловлено переохлаждением ауетенита ниже линии PSK, где его состояние является неустойчивым. Увеличивая скорость охлаждения, можно обеспечивать его переохлаждение до весьма низких температур и превратить в различные структуры с разными свойствами. Превращение переохлажденного аустенита может идти как при непрерывном охлаждении, так и изотермически, в процессе выдержки при температурах ниже точки Ar1 (т.е. ниже линии PSK).

Превращение переохлажденного аустенита при температурах от Ar1 до 550 0С называют перлитным. Если аустенит переохлажден до температур 550...Mн, - его превращение называется промежуточным. 
В результате перлитного превращения образуются пластинчатые структуры перлитного типа, представляющие собой феррито-цементитные смеси различной дисперсности. Так если превращение происходит при температурах, лежащих в интервале Ar1...650°C, образуется грубая феррито-цементитная смесь, которую называют собственно перлитом. Структура перлита является стабильной, т.е. неизменяемой с течением времени при комнатной температуре. 
Все остальные структуры, образующиеся при более низких температурах, т.е. при переохлаждениях аустенита, относятся к метастабильным. Так при переохлаждении аустенита до температур 650...590°С он превращается в мелкую феррито-цементитную смесь, называемую сорбитом. 
При ещё более низких температурах 590... 550 °С образуется тростит -весьма дисперсная феррито-цементитная смесь. Одновременно с этим возрастают твёрдость и прочность сталей. Так твёрдость перлита в эвтектовдной стали составляет 1800...2500МПа, сорбита - 2500...3500 МПа, тростита - 3500...4500МПа. 
При переохлаждении аустенита до температур 550...МН он распадается с образованием бейнита. Это превращение называется промежуточным, так как в отличие от перлитного оно частично идет по так называемому мартенситному механизму, приводя к образованию смеси цементита и несколько пересыщенного углеродом феррита. Бейнитная структура отличается высокой твёрдостью 4500...5500 МПа. 
Из этой диаграммы видно, что при очень малой скорости охлаждения V1 которая обеспечивается охлаждением вместе с печью (например, при отжиге), получается структура перлита. При скорости V2 (на воздухе) превращение идёт при несколько более низких температурах. Образуется структура перлит, но более дисперсный. Такая обработка называется нормализацией и широко применяется для малоуглеродистых сталей (иногда и для среднеуглеродистых) взамен отжига в качестве смягчающей 
При скорости V3 (охлаждение в масле) превращение аустенита идёт при таких температурах, которые обеспечивают получение сорбитной структуры, а иногда и троститной. 
Если аустенит охлаждать с очень большой скоростью (V4), то он переохлаждается до весьма низкой температуры, обозначенной на диаграммах, как Мн. Ниже этой температуры происходит бездиффузионное мартенситное превращение, приводящее к образованию структуры мартенсита. Для углеродистых сталей такую скорость охлаждения обеспечивает, например, вода 
В общем случае минимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры Мн и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки. На рис.5, она обозначена, как vhp и является касательной к С-кривой. Критическая скорость закалки -важнейшая технологическая характеристика стали. Она определяет выбор охлаждающих сред для получения мартенситной структуры. 
Величина критической скорости закалки зависит от химического состава стали и некоторых других факторов. Так, например, у некоторых легированных сталей даже охлаждение на воздухе обеспечивает скорость больше критической. 
При закалке на мартенсит необходимо учитывать, что эта структура имеет большой удельный объём и её образование сопровождается как заметным увеличением объёма закаливаемого изделия, так и резким увеличением внутренних напряжений, которые в свою очередь приводят к деформации или даже к образованию трещин. Всё это в сочетании с повышенной хрупкостью мартенсита требует проведения дополнительной термической обработки закалённых деталей - операции отпуска.

 

19. Превращения при отпуске закаленных сталей

Отпуском называется термическая  обработка, заключающаяся в нагреве  закаленной стали до температуры  ниже критической точки Ас₁ , выдержке и последующем охлаждении.

В зависимости от температуры  нагрева различают три вида отпуска:

низкий отпуск       150 - 250° С, 
средний отпуск     350 - 450° С, 
высокий отпуск     500 - 650° С.Выбор температуры отпуска зависит от того, в каких условиях будет работать изделие и, следовательно, какими свойствами оно должно обладать(низкий для инструментов; средний для рессор и пружин; высокий для ответственных изделий, валов и осей)Структура стали после закалки обычно состоит из мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита, причем кристаллическая решетка мартенсита искажена. Как мартенсит, так и аустенит являются неустойчивыми структурами. Длительное пребывание закаленной стали даже при комнатной температуре вызывает в ней структурные превращения. Нагрев значительно ускоряет структурные превращения в закаленной стали. При отпуске закаленной стали в ее структуре происходят следующие превращения:

1) кристаллическая решетка  мартенсита принимает правильную  форму куба;

2) остаточный аустенит  превращается в мартенсит;

3) мартенсит распадается  на механическую смесь феррита  и цементита;

4) образовавшиеся частицы  цементита коагулируют (разрастаются  и приобретают округлую форму).

Первое превращение происходит при температурах 100 - 200°. При этих температурах устраняется искажение  кристаллической решетки мартенсита. Она принимает форму куба, благодаря  чему в стали несколько ослабляются  внутренние напряжения. Мартенсит, имеющий  кубическую решетку, называется отпущенным мартенситом.

Второе превращение протекает  при температурах 200 - 270° и состоит  в переходе остаточного аустенита  в отпущенный мартенсит, который  является менее напряженной структурой, чем мартенсит закалки.

Третье превращение протекает  при температурах 300 - 400°. При этих температурах происходит распад мартенсита: из кристаллической решетки мартенсита выделяется избыточный углерод в  виде цементита. В результате получается весьма измельченная смесь феррита  и цементита - троостит отпуска.

Четвертое превращение протекает  заметно при температурах, превышающих 400°. В результате отпуска стали  при температурах 500 - 650° образуется механическая смесь более крупных  частиц феррита и цементита - сорбит отпуска.

При протекании третьего и  четвертого превращений твердость  стали заметно понижается, а пластичность и вязкость повышаются. Полученные в результате распада мартенсита троостит и сорбит отпуска имеют зернистую форму цементита, в то время как аналогичные структуры, полученные в результате охлаждения аустенита, имеют пластинчатую форму цементита. При равной прочности зернистые структуры (структуры отпуска) обладают большей пластичностью и вязкостью.

 

 

20. Химико-термическая обработка сталей

Химико-термическая  обработка (ХТО) стали - совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Химико-термическая обработка  повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали - химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистой (С<0,2%) или легированных сталей при температурах 900...950°С - твердым (цементация твердым карбюризатором -деревянным углем, торфяным коксом), а при 850...900°С - газообразным (газовая цементация) углеродом с последующей закалкой и отпуском. Цель цементации и последующей термической обработки - повышение твердости, износостойкости, также повышением пределов контактной выносливости поверхности изделия при вязкой сердцевине, что обеспечивает выносливость изделия в целом при изгибе и кручении.

Твердую цементацию производят в герметичных контейнерахс помощью измельченных карбюризаторов в течении 16-18 часов. Концентрация С в поверхностном слое 0.8-1.3%; глубина слоя 1-1.7 мм. Далее производится закалка и низкий отпуск.Газовую цементацию производят в смеси раскаленных газов, содержащих метан, окись углерода в специальных камерах при температуре 900-950°С и только в производственных условиях. После цементации детали охлаждают вместе с печью, затем закаляют при 760-780°С е окончательным охлаждением в масле.

Азотирование  стали - химико-термическая обработка поверхностным насыщением стали азотом путем длительной выдержки ее при нагреве до б00...650°С в атмосфере аммиака NН₃. Процесс длительный 24 часа для образования слоя толщиной 0.3 мм. Азотированные стали обладают очень высокой твердостью (азот образует различные соединения с железом, алюминием, хромом и другими элементами, обладающие большей твердостью, чем карбиды). Азотированные стали обладают повышенной сопротивляемостью коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар.Азотированные стали сохраняют высокую твердость, в отличие от цементованных, до сравнительно высоких температур (500...520°С). Азотированные изделия не коробятся при охлаждении, так как температура азотирования ниже, чем цементации. Азотирование сталей широко применяют в машиностроении для повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости ответственных деталей, например, зубчатых колес, валов, гильз цилиндров.

Нитроцементация (цианирование) стали - химико-термическая обработка с одновременным поверхностным насыщением изделий азотом и углеродом при повышенных температурах с последующими закалкой и отпуском для повышения износо- и коррозионной устойчивости, а также усталостной прочности. Нитроцементация может проводиться в газовой среде при температуре 840..860°С в течении 4-10 часов- нитроцианирование, в жидкой среде - при температуре 820...950°С в течении ~1.5 часов- жидкостное цианирование в расплавленных солях, содержащих группу NaCN.Нитроцементация эффективна для инструментальных (в частности, быстрорежущих) сталей; она используется для деталей сложной конфигурации, склонных к короблению. Однако, поскольку этот процесс связан с использованием токсичных цианистых солей, он не нашел широкого распространения.