Цементуемые легированные стали.

ГОСТ 4543—71 Цементуемые стали - это низкоуглеродистые (до 0,25% С), низколегированные (до 2,5%) и среднелегированные (2,5—10% суммарное содержание легирующих элементов) стали. Эти стали (см. табл.) предназначены для деталей машин и приборов, работающих в условиях трения и испытывающих ударные и переменные нагруз­ки. Работоспособность таких деталей зависит от свойств сердцевины и поверхностного слоя ме­талла. Цементуемые стали насыщают с поверхности углеродом (цементуют) и подвергают тер­мической обработке (закалке и отпуску). Такая обработка обеспечивает высокую поверхностную твердость (HRC 58—63) и сохраняет требуемую вязкость и заданную прочность сердцевины металла.

Билет№28

Цементация стали — поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости.

Цементации подвергают низкоуглеродистые (обычно до 0.2 % C) и легированные стали, процесс в случае использования твёрдого карбюризатора проводится при температурах 900—950 °С, при газовой цементации (газообразный карбюризатор) — при 850—900 °С.

После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.

Способы цементации:

§ в твёрдом карбюризаторе

§ в газовом карбюризаторе

§ в кипящем слое

§ в растворах электролитов

§ в пастах

 

 

Билет№27

Отжиг. Это процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры. Особенностью отжига является медленное охлаждение.
В зависимости от того, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига (рис. 39): 1 - диффузионный; 2 - полный; 3 - изотермический; 4 - неполный; 5 - сфероидизирующий; 6 - рекристаллизационный.

Полный отжиг. Такой отжиг осуществляется путем нагрева стали до температуры выше Ас₃, т. е. до аустенитного состояния, с последующим замедленным охлаждением. Он применяется для конструкционных сталей с целью получения однородной мелкозернистой структуры, снижения твердости, повышения пластичности и устранения внутренних напряжений. Например, при изготовлении стальных отливок получается очень грубая крупнозернистая структу

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки А_с1). При этом происходит частичная перекристаллизация перлитной составляющей. Неполному отжигу подвергают доэвтектоидные стали с целью снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием в том случае, если предварительная горячая обработка не привела к образованию крупного зерна. Температура неполного отжига стали 15 составляет 740-760°С. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность при высокой пластичности. Структура после полного отжига: перлит и феррит.ра

Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры на 30-50°С выше верхних критических точек Ас₃ и А_cm, затем выдерживают при этой температуре и охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией (см. рис. 40). При нормализации уменьшаются внутренние напряжения, происходит перекристаллизация стали, измельчающая крупнозернистую структуру металла сварных швов, отливок или поковок.
Нормализация стали по сравнению с отжигом является более коротким процессом термической обработки, а, следовательно, и более производительным. Поэтому углеродистые и низколегированные стали подвергают, как правило, не отжигу, а нормализации.

Билет№26

Отпускная хрупкость 1 рода проявляется при отпуске около 300°С у всех сталей, независимо от их состава и скорости охлаждения после отпуска.[1, С.374]

Отпускная хрупкость II рода обнаруживается после отпуска выше 500°С. Характерная особенность хрупкости этого вида заключается в том, что она проявляется в результате медленного охлаждения после отпуска: при быстром охлаждении вязкость не уменьшается, а монотонно возрастает с повышением температуры отпуска (как показывает верхняя кривая, приведенная на рис. 293). Однако отпускная хрупкость II рода снова может быть вызвана новым высоким отпуском с последующим замедленным охлаждением1.

Отпускная хрупкость. Так как быстрым охлаждением штампов крупных размеров нельзя устранить отпускную хрупкость, то сталь должна быть минимально чувствительной к этому пороку.[1, С.439]

Отпускная хрупкость II рода проявляется лишь в результате медленного охлаждения после отпуска при температурах выше 500 °С. При быстром охлаждении вязкость не уменьшается, а, наоборот, возрастает с повышением температуры отпуска. Поэтому отпускную хрупкость II рода иногда называют обратимой в отличие от отпускной хрупкости I рода, именуемой необратимой. Отпускная хрупкость II рода вызвана активным карбвдообразова-нием по границам зерен, обеднением в связи с этим приграничных районов легирующими элементами (хромом, марганцем) и диффузией сюда фосфора. В результате происходит охрупчивание стали из-за ослабления прочности межзеренных сцеплений.

 

 

Билет№24

В большинстве случаев первый процесс при термической обработке стали — образование аустенита. При медленном нагреве стальных тел достаточного сечения превышение температуры на 30—50° над равновесной критической точкой обычно обеспечивает получение однородной структуры аустенита. В этом случае лимитирующей является допустимая скорость нагрева, обеспечивающая отсутствие поводки и разрушения, процессы фазовых превращений и диффузии успевают пройти при этом в достаточной степени. 1. ОБРАЗОВАНИЕ АУСТЕНИТА И ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ

Следует напомнить, что превращения в соответствии с диаграммами состояния имеют место только в идеализированных условиях бесконечно медленного нагрева (или охлаждения). Практически применяемые режимы весьма сильно влияют на характер превращения, приводя к результатам, часто не соответствующим диаграмме состояния. Так, применение больших скоростей нагрева приводит к получению в доэвтектоидной стали аустенитно-карбидной структуры. Хорошо известно также, что нагрев до различных температур выше А₃—А_ст приводит к получению аустенита с разными свойствами, а это определяет различное поведение в процессе охлаждения и свойства термически обработанной стали. Все эти особенности определяются диффузионным характером процесса образования аустенита, развивающимся во времени. Поэтому изменение температурно-временных условий нагрева приводит к изменению состава и строения аустенита со всеми вытекающими последствиями.

 

Билет №25

Отпуск — операция термической обработки, связанная с нагревом закаленной стали ниже температуры фазовых превращений, выдержкой и охлаждением. Цель отпуска — снятие или снижение внутренних напряжений, возникших при закалке, и получение структуры с заданными свойствами (прочностью, твердостью, пластичностью и вязкостью). Отпуск необходимо проводить непосредственно после закалки, так как закалочные напряжения через некоторое время могут вызвать появление трещин. Низкая пластичность и значительные внутренние напряжения при закалке стали на мартенсит не позволяют использовать ее без проведения отпуска. При нагреве вследствие диффузионных процессов в структуре закаленной стали происходят фазовые превращения, которые зависят от температуры отпуска и определяют его назначение. Твердость и прочность стали с повышением температуры отпуска снижаются, а пластичность и вязкость — повышаются. При некоторых условиях отпуска закаленных сталей происходит их «охрупчивание» — потеря пластичности (отпускная хрупкость). Отпускная хрупкость появляется при температуре 300^оС у всех сталей независимо от их состава и скорости охлаждения при отпуске. Для предупреждения охрупчивания необходимо избегать интервал температуры отпускной хрупкости 250 — 350^оС.В зависимости от температуры различают несколько видов отпуска. Низкотемпературный (низкий) отпуск. Температура нагрева — 150 — 200^оС, выдержка — 1 — 1,5 ч. Снижаются внутренние напряжения. Мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Этот отпуск обеспечивает максимальную твердость стали и некоторое повышение прочности и вязкости. Твердость (60 — 65 НRС) зависит от содержания углерода в стали. Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали после поверхностной закалки или химико-термической обработки и закалки (цементация, нитроцементация). Среднетемпературный (средний) отпуск. Температура нагрева — 350 — 500^оС (чаще 380 — 420^оС), выдержка — от 1 — 2 до 3 — 5 ч. Значительно снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переходит в троостит отпуска, твердость — 40 — 45 НRС. Обеспечивается наилучшее сочетание предела упругости с пределом выносливости (усталостной прочностью).Этот отпуск проводят в основном для пружин, рессор, мембран и подобных деталей, а также для штампового инструмента. Охлаждение после отпуска рекомендуется проводить в воде, что способствует образованию на поверхности изделий сжимающих остаточных напряжений, повышающих усталостную прочность.Высокотемпературный (высокий) отпуск. Температура нагрева — 500 — 680^оС, выдержка — 1 — 8 ч. Полностью снимаются внутренние напряжения. Структура стали — сорбит отпуска, твердость — 25 — 35 НRС. Создается наилучшее соотношение прочности, пластичности и вязкости стали.Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением (термическим). Проводится она для деталей, которые должны обладать повышенной конструктивной прочностью. Улучшению подвергаются детали, выполненные в основном из среднеуглеродистых конструкционных сталей.

Билет№23

Перлитное превращение - эвтектоидное превращение (распад) аустенита, происходящее ниже 727°С (по другим источникам 723°С) и заключающееся в одновременном зарождении и росте внутри аустенита (ɣ-фаза) двух новых фаз: феррита (ɑ-фаза) ицементита (Fe₃C) имеющих пластинчатую форму. Схематически процесс описывается формулой:

ɣ→ɑ+Fe₃C

Перлитное превращение происходит в сталях, содержащих более 0,025%С (по массе), а также в белых и серых чугунах (за исключением чугунов на ферритной металлической основе).

 

Билет№20

Зака́лка — вид термической обработки изделий из сплавов, заключающийся в их нагреве выше критической температуры(температуры изменения типа кристаллической решетки, т. е. полиморфного превращения), с последующим быстрым охлаждением, как правило, в жидкости (воде или масле). Способы закалки Закалка в одном охладителе — нагретую до определённых температур деталь погружают в закалочную жидкость, где она остаётся до полного охлаждения. Этот способ применяется при закалке несложных деталей из углеродистых и легированных сталей. Прерывистая закалка в двух средах — этот способ применяют при закалке высокоуглеродистых сталей. Деталь сначала быстро охлаждают в быстро охлаждающей среде (например воде), а затем в медленно охлаждающей (масло).Струйчатая закалка заключается в обрызгивании детали интенсивной струёй воды и обычно её применяют тогда, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что обеспечивает более глубокую прокаливаемость, чем простая закалка в воде. Такая закалка обычно производится в индукторах на установках ТВЧ.Ступенчатая закалка — закалка, при которой деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартенситной точки для данной стали. При охлаждении и выдержке в этой среде закаливаемая деталь должна приобрести во всех точках сечения температуру закалочной ванны. Затем следует окончательное, обычно медленное, охлаждение, во время которого и происходит закалка, то есть превращение аустенита в мартенсит.Изотермическая закалка. В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

 

 

Билеты22,23,24,21

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области превращения: перлитную (переохлаждение до 500 °С), мартенситную (переохлаждение ниже М _н — для эвтектоидной стали ниже температуры 240 °С) и промежуточного (бейнитного) превращения (переохлаждение для эвтектоидной стали в интервале от 500 до 240 °С).

Рассмотрим структуры, образующиеся при диффузионном превращении аустенита.

При температуре 650–700 °С образуется собственно перлит. При перлитном превращении ведущей фазой является цементит. В результате образования пластинок цементита соседние участки аустенита обедняются углеродом, что в свою очередь приводит к образованию пластинок феррита.

При увеличения переохлаждения увеличивается количество зародышей новой фазы. Естественно, что с ростом числа чередующихся пластин феррита и цементита уменьшаются их размеры и расстояния между ними (рис. 8.6). Другими словами, с понижением температуры растет дисперсность продуктов превращения аустенита. Под степенью дисперсности понимают расстояние между соседними пластинками феррита и цементита. Перлит, сорбит, троостит являются структурами одной природы — механической смесью феррита и цементита и отличаются друг от друга лишь степенью дисперсности. С увеличением степени дисперсности пластин цементита растут твердость и прочность стали. Наибольшую пластичность имеют стали с сорбитной структурой. Троостит, образующийся при более низкой температуре превращения, характеризуется меньшей пластичностью (меньшими d и y). Перлит, сорбит и троостит называют перлитными структурами.

Перлитные структуры в зависимости от формы цементита могут быть пластинчатыми или зернистыми. Пластинчатые структуры образуются при превращении однородного (гомогенного) аустенита, а зернистые — неоднородного аустенита. В первом случае нагрев доэвтектоидных сталей должен производиться выше А_С3, а заэвтектоидных — выше А_cm. Соответственно для получения зернистых структур нагрев должен производиться ниже А_С3 (А_cm).

Таким образом, дисперсность перлитных структур определяется степенью переохлаждения, а форма цементита — гомогенностью исходного аустенита.

Так как в доэвтектондных и заэвтектоидных сталях, в отличие от эвтектоидных, в интервале температур А₁–А₃ сначала выделяются избыточные фазы — феррит (в доэвтектоидных сталях) или избыточный цементит (в заэвтектоидных сталях), то на диаграмме изотермического распада аустенита для этих сталей характерно появление дополнительной кривой, характеризующей начало выделения соответствующих избыточных фаз (рис. 8.7). Мартенситное превращение При больших степенях переохлаждения возрастает термодинамическая неустойчивость аустенита, а скорость диффузии углерода резко падает. При переохлаждении аустенита в эвтектоидной стали до 240 °С подвижность атомов углерода близка к нулю и происходит бездиффузионное превращение аустенита. При этом меняется лишь тип решетки g ® a, а весь углерод, ранее растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита несмотря на то, что равновесная концентрация углерода в феррите не превышает 0,006 % при комнатной температуре. В результате образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в a -железе, который называется мартенситом. Из-за пересыщенности углеродом решетка мартенсита сильно искажена и вместо кубической приобретает тетрагональную форму, в которой отношение периодов решетки существенно отличается от единицы, т. е. с/а ¹ 1. Чем больше углерода, тем выше степень тетрагональности мартенсита (рис. 8.8).Мартенсит имеет высокую хрупкость и твердость (до 65 НRC_Э). Высокая твердость мартенсита обусловлена искажениями кристаллической решетки и соответственно большими внутренними напряжениями, определяемыми растворенным углеродом, а также возникновением фазового наклепа вследствие увеличения объема при превращении аустенита в мартенсит, в результате чего плотность дислокации в мартенсите достигает уровня плотности дислокации холоднодеформируемой стали и равняется 10¹⁰–10¹² см^–2.Скорость образования кристаллов мартенсита очень велика и достигает 1000 м/с. Пластины мартенсита растут до границы аустенитного зерна либо до имеющегося в стали дефекта. Последующие пластины мартенсита, расположенные под углом к первым (60°, 120°), ограничены их размерами.Высокая скорость образования кристаллов мартенсита при низкой температуре протекания превращения объясняется тем, что имеет место непрерывный переход от кристаллической решетки аустенита к решетке мартенсита.

 

Билет№19 Закаливаемость стали. Под закаливаемостью понимают способность стали приобретать высокую твердость после закалки. Такая способность зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Объясняется это тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число атомов, насильственно удерживаемых при закалке в атомной решетке железа. Иными словами, увеличивается степень пересыщения твердого раствора углерода в железе. В результате возрастают внутренние напряжения, что, в свою очередь, способствует увеличению числа дислокаций и возникновению блочной структуры.

Прокаливаемость стали. Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны, т. е. свойство стали закаливаться на определенную глубину от поверхности. Если, например, сверло диаметром 50 мм, изготовленное из инструментальной углеродистой стали, закалить в воде, а затем замерить твердость его в поперечном сечении, то окажется, что во внутренней зоне, расположенной вдоль оси сверла (сердцевине), твердость будет почти такой же, как до закалки, в то время как в наружной зоне, расположенной у поверхности, твердость резко повысится. Проверив затем микроструктуру, можно будет убедиться, что в сердцевине она будет перлитного типа, а у поверхности — мартенситного. Несквозная закалка объясняется неравномерным охлаждением детали при закалке: поверхность всегда охлаждается быстрее, чем сердцевина. Неравномерность охлаждения вызывается различными условиями теплоотвода у поверхности и в сердцевине. При погружении раскаленной детали в закалочную среду поверхность, соприкасаясь с холодной жидкостью, охлаждается с большой скоростью, в то время как отвод теплоты от сердцевины затруднен толщей горячего металла, и потому она охлаждается медленно.

 

 

Билет№17

Высокопрочный чугун — чугун, имеющий графитные включения сфероидальной формы.

ВЧ 35- Временное
сопротивление
при растяжении,
МПа- 3 ВЧ-100

Он удовлетворительно обрабатывается резанием; легко сваривается с помощью газовой сварки с применением стержней из чугуна, содержащего магний, причем прочность шва не отличается от прочности основного металла. Высокопрочный чугун хорошо воспринимает термическую обработку, которая может в значительных пределах изменять структуру и свойства отливок

 

Билет№16

Ковкий чугун – чугун с хлопьевидным графитом, условное название мягкого и вязкого чугуна, который получают из белого чугуна специальной термической обработкой; ковке его не подвергают, он обладает высокой пластичностью. Ковкий чугун состоит из сталистой основы и содержит углерод в виде графита. Графит находится в виде включений округленной формы, расположенных изолированно друг от друга и металлическая основа менее разобщена, а сплав обладает значительной вязкостью и пластичностью. Свойства ковкого чугуна зависят от величины графитных включений (чем меньше эти включения, тем прочнее чугун), но они определяются структурой его металлической основы, которая может быть ферритной, перлитной или смешанной.

В зависимости от состава чугуна и способа термической обработки получают два вида ковкого чугуна: черносердечный и белосердечный. Ковкий чугун более дешевый материал, он обладает хорошими механическими свойствами и применяется в сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, вагоностроении, станкостроении.

 

Билет№15

Серый чугун (технический) название получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит. Структура чугуна состоит из металлической основы и графита и его свойства зависят от этих двух составляющих. Графит обладает низкими механическими свойствами.

При медленном охлаждении сплавов железо – углерод происходит выделение графита.

В промышленности применяются доэвтектические серые (литейные) чугуны. Серый чугун, который состоит из феррита и графита, называют ферритным, так как металлическую основу его составляет феррит. Весь углерод в виде графита выделяется при очень медленном охлаждении сплава; если скорость охлаждения в процессе кристаллизации (как первичной, так и вторичной) увеличивается, выделяется не графит, а цементит. Чугун, содержащий до 1,2 % фосфора, применяется для художественного литья, труб.

Маркировка серого чугуна. По ГОСТ чугун в отливках маркируется буквами СЧ с добавлением двух чисел: первое число указывает предел прочности при растяжении (_пч) второе – удлинение () в%. Половинчатый чугун состоит из перлита, ледебурита и пластинчатого графита. Сочетает в себе два цвета – серый и белый.

 

 

Билет№14

ХЛАДНОЛОМКОСТЬ — потеря материалами пластичности с понижением температуры. отрыву материалов почти не зависит от температуры, тогда как при некоторой критической температуре сильно увеличивается при ее понижении. Количественной мерой склонности материалов к хладноломкости служит температурa (порог) хладноломкости, когда хрупкое разрушение отрывом наступает раньше, чем состояние пластической текучести. Xладноломкость может быть обусловлена объемными эффектами (блокировкой источников дислокаций примесными атмосферами, упрочнением и т.п.) и пограничными явлениями (сегрегацией примесей на границах зерен, образованием хрупких зерно-граничных прослоек). Склонность металлов и сплавов к хладноломкости усиливается с повышением атмосферного давления, снижением сопротивления отрыву, увеличением скорости деформации, при наличии надрезов и трещин. К хладноломкости наиболее склонны низколегированные стали, металлы подгруппы Via периодической системы с ОЦК решеткой (Сг, Mo, W, Та) и сплавы на их основе."

Одна из этих теорий объясняет хладноломкость как свойство кристаллической решетки. Из многочисленных опытных данных известно, что металлы и сплавы с объемноцентриро-ванной кубической решеткой (α-Fe, малоуглеродистые стали, содержащие феррит) и с гексагональной плотноупакованной решеткой (Zn, Cd, Mg) хладноломки, а металлы и сплавы с гра-нецентрированцой кубической решеткой (Cu, Al, Ni, Pb, аусте-нитные стали) не обладают этим свойством и сохраняют достаточно высокую пластичность даже при самых жестких условиях испытания. Однако увеличение пластичности, в особенности при понижении температуры ниже —196° С, наблюдав

 

Билет№4

Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом. Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию. Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe). Fe: – ОЦК -;– ГЦК -;– ОЦК -; (высокотемпературное)Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки. Все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал существование его аллотропических модификаций (А = 911^oС, А = 1392^oС).В зависимости от расположения элементов в периодической системе и строения кристаллической решетки легирующего элемента возможны варианты взаимодействия легирующего элемента с железом. Им соответствуют и типы диаграмм состояния сплавов системы железо – легирующий элемент (рис. 17.1)Большинство элементов или повышают А и снижают А, расширяя существовавшие –модификации (рис.1.а), или снижают А₄ и повышают А, сужая область существования – модификации (рис.1.б).Рис. 1. Схематические диаграммы состояния Fe – легирующий элемент. а – для элементов, расширяющих область существования –модификации; б – для элементов, сужающих область существования –модификациит Свыше определённого содержания марганца, никеля и других элементов, имеющих гранецентрированную кубическую решетку, – состояние существует как стабильное от комнатной температуры до температуры плавления, такие сплавы на основе железа называются аустенитными.

При содержании ванадия, молибдена, кремния и других элементов, имеющих объемно-центрированную кубическую решетку. Выше определённого предела устойчивым при всех температурах является – состояние. Такие сплавы на основе железа называются ферритными.

Аустенитные и ферритные сплавы не имеют превращений при нагреве и охлаждении.