Высокопрочные легированные стали.

Вопросы к экзамену по дисциплине

«Материаловедение и технология конструкционных материалов»

1. Механические, технологические и эксплуатационные характеристики металлических материалов.

Ответ:

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок).

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок оценивается пределом прочности и пределом текучести.

Упругость – способность материала восстанавливать первоначальную форму

и размеры после прекращения действия нагрузки Р_уп оценивают пределом

пропорциональности и пределом упругости.

Пластичность – это способность материала принимать новую форму и

размеры под действием внешних сил не разрушаясь. Характеризуется

относительным удлинением и относительным сужением

Ударная вязкость – это способность материала сопротивляться

динамическим нагрузкам. Определяется как отношение затраченной на

излом образца работы W(в МДж) к площади его поперечного сечения

F (в м2) в месте надреза КС=W/F.

Твердостью называют способность материала сопротивляться

проникновению в него другого более твердого тела. Твердость металла

определяют способами Бринелля, Роквелла и Виккерса.

Технологические свойства. Эти свойства характеризуют способность

Металлов подвергаться обработке в холодном и горячем состояниях.

Технологические свойства определяют при технологических пробах,

которые дают качественную оценку пригодности металлов к тем или иным

способам обработки.

Обрабатываемость резанием.

Свариваемость – способность металлов образовывать сварное соединение,

Свойства, которого близки в свойствам основного металла.

Ковкость – способность металла обрабатываться давлением в холодном и

Горячем состоянии без признаков разрушения.

Литейные свойства металлов характеризуют способность их образовывать

отливки без трещин, раковин и других дефектов. Основными литейными

свойствами являются жидкотекучесть, усадка и ликвация.

Эксплуатационные свойства. Эти свойства определяют в зависимости от

условий работы машины специальными испытаниями. Одним из важнейших

эксплуатационных свойств является износостойкость.

 

2. Кристаллическое строение металлов и сплавов. Основные типы

кристаллических решеток и их характеристики. Полиморфизм. Анизотропия.

 

Ответ:

Типы кристаллических решеток: Твердые тела делятся на

кристаллические и аморфные.

Все металлы и их сплавы – тела кристаллические. Металлами называют

химические элементы, характерными признаками которых являются

непрозрачность, блеск, хорошая электро - и теплопроводимость,

пластичность, а для многих металлов также способность свариваться.

Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием

Кристаллической решетки. Кристаллическая решетка – это воображаемая

пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы),

образующие металл. Частицы вещества (ионы, атомы), из которых построен

кристалл, расположены в определенном геометрическом порядке, который

периодически повторяется в пространстве.

Связь в металле осуществляется электростатическими силами. Между

Ионами и свободными электронами возникают электростатические силы

притяжения, которые стягивают ионы. Такую связь между частицами

металла называют металлической.

Типы кристаллических решеток у различных металлов различны. Наиболее

Часто встречаются решетки: объёмно-центрированная кубическая (ОЦК)

- альфа-Fe, Cr, W, гранецентрированная кубическая (ГЦК) – гамма-Fe, Al, Cu

и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – Mg, Zn и др.

Кристаллическая решетка характеризуется её параметрами, например длиной

ребра куба для ОЦК и ГЦК, которая составляет 2,8-6*10^-8см.

Анизотропия кристаллов.

Неодинаковость физических свойств среды в разных направлениях называют

анизотропией. Анизотропия кристаллов обусловлена различием плотности

упаковки атомов в решетке в различных направлениях. Все кристаллы

анизотропные, а аморфные тела (стекло, смола) изотропны, т.е. имеют

одинаковую плотность атомов в различных направлениях.

Аллотропия металлов.

Аллотропией или полиморфизмом, называют способность металла в твердом

состоянии иметь различные кристаллические формы.

Аллотропические превращения имеют многие металлы: железо, олово, титан

и др. Например, железо в интервале температур 911о-1392оС имеет

гранецентрированную кубическую решетку (ГКЦ) гамма-Fe. В интервалах

до 911оС и от 1392 до 1539оС железо имеет объёмно-центрированную

кубическую решетку (ОЦК) – альфа-Fe. Аллотропические формы металла

обозначаются буквами альфа, бета, гамма и т.д.

 

 

3. Виды дефектов кристаллической решетки – точечные, линейные,

поверхностные и их влияние на механические свойства.

 

Ответ:

Дефекты в кристаллах. В кристаллах всегда имеются дефекты

(несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного

расположения атомов кристаллической решетки. Дефекты кристаллического

строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные,

линейные и поверхностные.

Отдельные атомы обладают энергией значительно большей средней энергии

и перемещаются из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются

атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился

такой атом называется вакансией. На это место через некоторое время

перемещается один из атомов соседнего слоя и т.д.

К точечным дефектам относят также атом, внедренный в междоузлие

кристаллической решетки, и замещенный атом, когда место атома одного

металла замещается в кристаллической решетке другим, чужеродным

атомом. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической

решетки.

Линейные дефекты являются другим важнейшим видом несовершенства

кристаллической решетки, когда в результате сдвига на одно межатомное

расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо

плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше,

чем в нижней.

Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между

отдельными кристаллами. На границе раздела атомы расположены менее

правильно, чем в его объеме.

Прочность металла может либо увеличиваться вследствии искажений

кристаллической решетки вблизи границ, либо уменьшаться из-за наличия

примесей и концентрации дефектов. Дефекты в кристаллах существенно

влияют на свойства металлов.

 

4. Фазы в сплавах: твердые растворы, механические смеси, химические

соединения.

 

Ответ:

Фазой называют однородную часть системы, имеющую одинаковый состав,

одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей

системы поверхностью раздела, при переходе через которую химический

состав или структура вещества изменяются скачкообразно.

Твердые растворы образуются в результате перехода в твердое состояние

однородных жидких растворов. В твердом растворе одно из веществ,

входящих в состав сплава, сохраняет присущую ему кристаллическую

решетку, а другое в виде отдельных атомов распределяется в

кристаллической решетке первого вещества. Твердые растворы бывают двух

типов: твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

Независимо от типа твердые растворы однофазны.

Химические соединения образуются при сплавлении различных металлов

или металла с неметаллом. Соотношение чисел атомов элементом

химического соединения может быть выражено формулой вида А_nB_m.

Химическое соединение – однородное кристаллическое тело, имеет

кристаллическую решетку с упорядоченным расположением атомов, которая

отлична от решеток элементов, образующих это соединение.

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется тогда, когда при

кристаллизации компоненты сплава не способны к взаимному растворению

в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием

соединения.

 

5. Диаграмма железо-углерод. Фазы и структурные составляющие.

Первичная и вторичная кристаллизация.

Ответ:

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие:

1. Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе.

2. Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе.

3. Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C)

4. Графит – свободный углерод.

5. Перлит (П) – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита содержащая 0,8% С.

6. Ледебурит (Л) – механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% С.

В диаграмме состояния железо-цементит (Fe-Fe₃C) рассматриваются процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали и чугуна) и превращения в их структуре при медленном охлаждении от жидкого расплава до комнатной температуры.

Диаграмма показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14 до 6,67% - чугуном.

Первичная кристаллизация, т.е. затвердевание жидкого сплава

начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса ACD.

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием

углерода до 2,14 %, т.е. в сталях, образуется однофазная структура -

аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т.е. в чугунах,

при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии)

происходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK и

GPQ. Превращение в твердом состоянии происходят вследствии перехода

 

 

t ^oC Д

 

А

В

ж.с.

ж.с.+А

I ж.с.+Ц

Е 1147С F

А II

 

А+Ц+Л Ц+Л

G А+Ц

P S 727 III

Ф К

 

Ф+П Ц+П П+Ц+Л Ц+Л

%С

Q 0,8 2,14 3,5 4,3 6,67

 

железа из одной аллотропической модификации в другую (гамма в альфа) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите.

 

 

6. Углеродистыестали. Классификация по качеству, назначению и структуре.

Влияние углерода и примесей на свойства сталей. Маркировка.

Ответ:

Углеродистые стали подразделяют на три основные группы: стали углеродистые обыкновенного качества, качественные углеродистые стали и углеродистые стали специального назначения (автоматную, котельную и др.).

Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры - это условный номер марки. Чем больше число, тем больше содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность.

В зависимости от назначения и гарантируемых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп: А, Б, В.

Стали качественные конструкционные. От сталей обыкновенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фосфора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и большинстве случаевболее высоким содержанием кремния (Si) и марганца (Mn).

Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента, и поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств. По степени раскисления сталь подразделяют на кипящую (кп), полуспокойную (пс), спокойную (без указания индекса). Буква Г в марках сталей указывает на повышенное содержание марганца (до 1%).

Стали углеродистые специального назначения. К этой группе относят стали с хорошей и повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные стали). Они предназначены в основном для изготовления деталей массового производства.

Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Применяют следующие марки автоматной стали: А12, А20, А30, А40Г.

 

7. Серые чугуны, их отличие от белых чугунов. Классификация, маркировка, структура, свойства и применение собственно серых, модифицированных, ковких и высокопрочных чугунов.

Ответ:

Серые чугуны - это литейный чугун. Серый чугун поступает в производство в виде отливок. Серый чугун является дешевым конструкционным материалом. Он обладает хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает способностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных нагрузках.

Выпускают следующие марки серых чугунов (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): СЧ 10 (143-229), СЧ 15 (163-229), СЧ 20 (170-241).

Механические свойства серых чугунов зависят от металлической основы, а также формы и размеров включений графита.

Высокопрочный чугун. Он имеет ферритную или перлитную структуру, является разновидностью серого чугуна, модифицированного магнием.

Одновременно с ним или несколько позже в жидкий чугун вводят ферросицилий. В результате получают мелкие включения графита шаровидной формы. Этот чугун обладает повышенной прочностью по сравнению с обычными серыми чугунами.

В зависимости от предела прочности при растяжении и относительного удлинения высокопрочные чугуны разделяют на следующие марки (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): ВЧ 38-17 (140-170), ВЧ 60-2 (200-280), ВЧ 42-12 (140-200).

Ковкий чугун. Ковкий чугун - условное название более пластичного чугуна по сравнению с серым. Ковкий чугун никогда не куют. Отливки из ковкого чугуна получают длительным отжигом отливок из белого чугуна с перлитно-цементитной структурой.

В зависимости от структуры металлической основы различают ковкий ферритный чугун и ковкий перлитный чугун.

 

8. Превращения в стали при нагреве. Наследственно мелко- и крупнозернистые стали.

 

Ответ:

Превращения в стали при нагреве. Нагрев стали при термической обработке используют для получения аустенита. Структура доэвтектоидной стали при нагреве ее до критической точки Ас₁ состоит из зерен перлита и феррита. В точке Ас₁ происходит превращение перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от точки Ас₁ до Ас₃ избыточный феррит растворяется в аустените, и в точке Ас₃ превращения заканчиваются. Выше точки Ас₃ структура стали состоит из аустенита.

Таким же образом происходят превращения при нагреве заэвтектоидной стали, но с той лишь разницей, что при дальнейшем повышении температуры от точки Ас₁ до точки Аст в аустените начинает растворяться избыточный цементит.

Для выравнивания химического состава и получения однородного аустенита доэвтектоидную сталь нагревают немного выше верхней критической точки Ас₃ и выдерживают некоторое время при этой температуре для завершения диффузионных процессов.

Стали, раскисленные в процессе плавки кремнием и марганцем, обладают большой склонностью к непрерывному росту зерен аустенита при повышении температуры. Такие стали, называют наследственно мелкозернистыми. К ним относят кипящие стали.

Стали, раскисляемые в процессе выплавки дополнительно алюминием и в особенности легированные титаном или ванадием, мало склонны к росту зерна аустенита при нагреве до 950-1000^о. Такие стали, называют наследственно мелкозернистыми. К ним относят спокойные стали.

 

 

9. Превращения в стали при охлаждении. Диаграмма изотермического распада аустенита. Строение и свойства перлита, сорбита, троостита.

 

Ответ:

Превращения в стали при охлаждении. Аустенит является устойчивым только при температуре выше 727^оС (точка Ar₁). При охлаждении стали предварительно нагретой до аустенитного состояния (ниже точки Ar₁), аустенит становится неустойчивым - начинается его превращение. Для случая эвтектоидной углеродистой стали аустенит превратится в перлит, т.е. в механическую смесь феррита и цементита.

Превращение аустенита при постоянной температуре обобщается и изображается наглядно в виде диаграммы изотермического превращения.

 

^оС

 

 

П

С

Т

А Б

 

М_н

 

М_к

 

-100

сек

Диаграмма изотермического превращения эвтектоидной стали:

А - аустенит, П - перлит, С - сорбит, Т - троостит, Б - бейнит, М - мартенсит.

 

Перлитом называют механическую смесь кристаллов феррита и цементита;

сорбитом - более мелкую (дисперсную), чем перлит, механическую смесь феррита и цементита. Сталь, в которой преобладает структура сорбита, обладает высокой прочностью и пластичностью.

При охлаждении образца до 500^оС, аустенит превращается в троостит. Троостит представляет собой очень тонкую смесь феррита и цементита; отличается от перлита и сорбита очень высокой степенью дисперсности составляющих. Сталь со структурой троостита обладает повышенной твердостью (НВ 330-400), достаточной прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью.

 

10. Мартенситное превращение в стали и его особенности.

 

Ответ: При больших скоростях охлаждения в стали получается только мартенсит. Скорость охлаждения при которой в закаливаемой стали из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. Чтобы закалить сталь, её охлаждают со скоростью, не меньшей, чем критическая.

Мартенситное превращение в отличие от перлитного имеет бездиффузионный характер. Мартенсит является основной структурой закаленной стали. Он имеет высокую твердость, зависящую от содержания углерод в стали. Чем больше содержится углерода в мартенсите, тем выше твердость стали.

Мартенсит имеет характерное игольчатое строение. Чем мельче зерна аустенита, тем мельче получаются зерна мартенсита. Такая структура характерна для правильно закаленной стали.

Для аустенитно-мартенситного превращения характерно то, что оно происходит в интервале температур. Начинается превращение при температуре М_н, а заканчивается при более низкой температуре М_к.

 

 

11. Отжиг I рода: гомогенизирующий, рекристаллизационный, для снятия внутренних напряжений. Режимы и назначения.

 

Ответ:

Диффузионный отжиг (гомогенизирующий) применяют для уменьшения химической неоднородности стальных слитков и фасонных отливок. Неоднородность строения обусловлена карбидной и дендритной ликвациями, так как в местах образования карбидов или в средней части дендритов возникают скопления легирующих элементов. Для выравнивания химического состава слиток или отливку нагревают до высокой температуры, при которой атомы элементов приобретают большую подвижность. Для обеспечения необходимой скорости диффузии атомов отжиг стали проводят при высокой температуре (1100-1200^оС) с выдержкой 10-20 ч.

Рекристаллизационный отжиг применяют для снятия наклепа, вызванного пластической деформацией металла при холодной прокатке, волочении или штамповке.

Рекристаллизационный отжиг выполняют путем нагрева до температуры ниже Ас¹ (650-700^оС), выдержки и последующего охлаждения. При нагреве металла до 650-700^оС (рекристаллизационный отжиг) возрастает диффузионная подвижность атомов и в твердом состоянии происходят вторичные кристаллизационные процессы (рекристаллизация).

 

12. Отжиг II рода: полный, неполный, нормализация. Режимы. Назначение.

 

Ответ:

Полный отжиг применяют для доэвтектоидной стали в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений. Это достигается нагревом стали на 30-50^оС и медленным охлаждением.

Неполный отжиг обеспечивается при нагреве изделий из заэвтектоидной стали выше температуры Ас₁ на 30-50^оС выше верхней критической точки Ас₃ выдержке и последующем медленном охлаждении.

При неполном отжиге происходит снятие внутренних напряжений, снижение твердости, повышение пластичности, улучшение обрабатываемости резанием.

Нормализация. Термическую операцию, при которой сталь нагревают до температуры на 30-50^оС выше верхних критических точек Ас₃ и А_ст, затем выдерживают при этой температуре и охлаждают на спокойном воздухе, называют нормализацией. При нормализации уменьшаются внутренние напряжения, происходит перекристаллизация стали, измельчающая крупнозернистую структуру металла сварных швов, отливок или поковок.

 

13. Закалка стали. Выбор температуры закалки. Охлаждающие среды и их особенности. Способы закалки (непрерывная, прерывистая, ступенчатая, изотермическая, с самоотпуском). Обработка холодом.

 

Ответ:

Закалка. Это процесс термической обработки, при которой сталь нагревают до оптимальной температуры, выдерживают при этой температуре и затем быстро охлаждают с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластичность конструкционных и инструментальных сталей и сплавов. Качество закалки зависит от температуры и скорости нагрева, времени выдержки и охлаждения. Основными параметрами закалки являются температура нагрева и скорость охлаждения.

Температуру нагрева для закалки определяют по положению критических точек Ас₁ и Ас₃. Доэвтектоидные углеродистые стали при закалке нагревают на 30-50^оС выше верхней критической точки Ас₃, а заэвтектоидные - на

30-50^оС выше точки Ас₁.

В качестве закалочных сред используют воду, водные растворы солей, щелочей, масло и расплавленные соли, имеющие различную охлаждающую способность.

Закалка в одной среде - наиболее простой и распространенный способ. Деталь или инструмент, нагретые до температуры закалки, погружают в закалочную жидкость (вода, масло и т.д.), в которой она находится до полного охлаждения.

При закалке в двух средах, или прерывистой закалке деталь, нагретую до заданной температуры, сначала погружают в быстро охлаждающую среду - воду, а затем переносят деталь в медленно охлаждающую среду - масло. Такую закалку применяют для обработки инструмента, изготовленного из высокоуглеродистой стали.

Ступенчатая закалка заключается в том, что нагретые детали сначала охлаждают до температуры несколько выше мартенситной точки М_н в горячем масле или расплавленной соли, а затем после короткой изотермической выдержки, необходимой при выравнивании температуры по всему сечению изделия, охлаждают на воздухе.

Изотермическая закалка выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительная. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита.

Закалка с самоотпуском состоит в том, что нагретую деталь рабочей частью погружают в закалочную среду и выдерживают в ней не до полного охлаждения. За счет тепла нерабочей части детали, которая не погружалась в закалочную жидкость, рабочая часть детали или инструмента нагревается. Температуру отпуска при этом способе закалки определяют по цветам побежалости, возникающим на поверхности при температурах 220-300^оС.

Закалка с обработкой холодом заключается в продолжении охлаждения закаленной стали до температур ниже комнатной, но в интервале начала (М_н) и окончания (М_к) мартенситного превращения для дополнительного более полного превращения остаточного аустенита в мартенсит и повышения твердости.

 

 

14. Закаливаемость и прокаливаемость стали. Факторы, влияющие на эти характеристики.

 

Ответ:

Закаливаемость - это способность стали приобретать максимально высокую твердость после закалки. Закаливаемость зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Это объясняется тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число атомов углерода, удерживаемых в кристаллической решетке железа при закалке, т.е. увеличивается степень пресыщения твердого раствора углерода в железе.

Прокаливаемость - это глубина проникновения закаленной зоны, т.е. способность стали закаливаться на определенную глубину. За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до слоя, где в структуре будет примерно одинаковое количество мартенсита и троостита. Прокаливаемость зависит от химического состава стали, размеров деталей и условий охлаждения.

 

15. Превращения при нагреве закаленной стали. Отпуск стали: низкий, средний, высокий. Структура, свойства, назначение каждого вида отпуска.

 

Ответ:

Низкий отпуск характеризуется нагревом в интервале 150-250^оС,выдержкой при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе. Он выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска и для частичного снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижения твердости. Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей после цементации и т.д.

Средний отпуск производится при температурах 300-500^оС для получения структуры троостита отпуска. Твердость сталей заметно понижается, вязкость увеличивается. Этот отпуск применяют для пружин, рессор, а также инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при достаточной вязкости.

Высокий отпуск выполняется при температурах 500-600^оС. В процессе высокого отпуска мартенсит распадается с образованием структуры сорбита отпуска. Эта структура обеспечивает лучшее сочетание прочности и пластичности стали. В сорбите отпуска цементит приобретает зернистую форму в отличие от сорбита, полученного после нормализации, в котором цементит имеет пластинчатое строение. Благодаря этому существенно повышается ударная вязкость при одинаковой или даже более высокой твердости по сравнению с нормализованной сталью. Применяется этот вид отпуска для деталей из конструкционных сталей, работающих при ударных нагрузках.

 

16. Маркировка и классификация легированных сталей по степени легированности, по назначению. Влияние легирующих элементов на свойства стали.

 

Ответ: Для улучшения физических, химических, прочностных и технологических свойств стали легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы (хром, марганец, никель и др.). Стали могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства.

Маркировка легированных сталей. Марка легированной качественной стали состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих её химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится до 1,5%. В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры марки показывают содержимое углерода в сотых долях процента.

Легированные конструкционные стали делят на цементуемые, улучшаемые и высокопрочные.

 

17. Конструкционные легированные стали - строительные, цементуемые, улучшаемые, рессорно-пружинные. Марки, термическая обработка, структура, свойства.

 

Ответ:

Цементуемые легированные стали. Цементуемые стали - это низкоуглеродистые (до 0,25С), низко- (до 2,5%) и среднелегированные (2,5-10% суммарное содержание легирующих элементов) стали. Эти стали предназначены для деталей машин и приборов, работающих в условиях трения и испытывающих ударные и переменные нагрузки.

Улучшаемые легированные стали. Это среднеуглеродистые (0,25-0,6%С) и низколегированные стали. Для обеспечения необходимых свойств (прочности, пластичности, вязкости) эти стали термически улучшают, подвергая закалке и высокому отпуску (500-600^оС).

Высокопрочные легированные стали.

Комплексно-легированные стали - это среднеуглеродистые (0,25-0,6%С) легированные стали, термоупрочняемые при низком отпуске или подвергающиеся термомеханической обработке.

Мартенстостареющие стали - это новый класс высокопрочных легированных сталей на основе безуглеродистых (не более 0,03%С) сплавов железа с никелем, кобальтом, молибденом, титаном, хромом и другими элементами. Мартенстостареющие стали закаливают на воздухе от 800-860^оС с последующим старением при 450-500^оС.

18. Инструментальные стали для измерительного и режущего инструмента. Марки, термическая обработка, структура, свойства.

 

Ответ:

Углеродистые инструментальные стали. Инструментальные углеродистые стали выпускают следующих марок: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13.

Стали У7-У9 подвергают полной, а стали У10-У13 неполной закалке.

Легированные инструментальные стали. Легирующие элементы, вводимые в инструментальные стали, увеличивают теплостойкость (вольфрам, молибден, кобальт, хром), закаливаемость (марганец), вязкость (никель), износостойкость (вольфрам).

Низколегированные инструментальные стали содержат до 2,5% легирующих элементов, имеют высокую твердость (HRC 62-69), значительную износостойкость, но малую теплостойкость (200-260^оС).

В низколегированных сталях Х, 9ХГ, ХВГ, ХВСГ основной легирующий элемент - хром.

Высоколегированные инструментальные стали содержат вольфрам, хром и ванадий в большом количестве (до 18% основного легирующего элемента); имеют высокую теплостойкость (600-640^оС). Их используют для изготовления высокопроизводительного режущего инструмента, предназначенного для обработки высокопрочных сталей и других

 

труднообрабатываемых материалов. Такие стали называют инструментальными быстрорежущими. Быстрорежущие стали обозначают буквой Р, цифра после которой указывает содержание вольфрама.

 

 

19. Штампованные стали для деформирования металла в горячем и холодном состоянии.

 

Ответ:

Штампы холодного деформирования небольших размеров (сечением 25-30мм), простой формы, работающие в легких условиях, изготовляют из углеродистых сталей У10, У11, У12. Штампы сечением 75-100мм более сложной формы и для более тяжелых условий работы изготовляют из сталей повышенной прокаливаемости Х, ХВГ.

Для изготовления инструмента с высокой твердостью и повышенной износостойкостью, а также с малой деформируемостью при закалке используют стали с высокой прокаливаемостью и износостойкостью, например высокохромистую сталь Х12Ф1 (11-112% Cr; 0,7-0,9%V).

Для инструмента, подвергающегося в работе большим ударным нагрузкам (пневматические зубила, режущие ножи для ножниц холодной резки металла), применяют стали с меньшим содержанием углерода, повышенной вязкости 4ХС, 6ХС, 4ХВ2С и др.

Молотовые штампы горячего деформирования изготовляют из сталей 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ. Эти стали содержат одинаковое количество (0,5-0,6%) углерода и легированы хромом.

 

20. Магнитные стали и сплавы.

 

Ответ: Магнитные стали и сплавы в зависимости от коэрцитивной силы и магнитной проницаемости делят на магнитно-твердые и магнитно-мягкие.

Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов. Они имеют большую коэрцитивную силу. Это высокоуглеродистые и легированные стали, специальные сплавы.

Магнитно-мягкие стали и сплавы. Магнитно-мягкие стали и сплавы имеют малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницаемость. К ним относятэлектротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои).

Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) содержит менее 0,04%С, имеет высокую магнитную проницаемость Ма=(2,78/3,58)10⁹ Гн/м и применяется для сердечников, полюсных наконечников электромагнитов и др. Электротехническая сталь содержит менее 0,05%С и кремний, сильно увеличивающий магнитную проницаемость.

Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45-80% Ni, их дополнительно легируют Cr, Si, Мо. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая.

 

21. Стали и сплавы, применяемые в теплотехнике.

 

Ответ: Для изготовления конструкций и деталей, работающих в условиях повышенной температуры(400-900^оС) и окисления в газовой среде, применяют специальные жаростойкие стали.

К жаростойким относят стали, содержащие алюминий, хром, кремний. Такие стали не образуют окалины при высоких температурах. Например, хромистая сталь, содержащая 30%Cr, устойчива до 1200^оС.

Жаропрочные стали. Некоторые детали машин (двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, металлургического оборудования и т.п.) длительное время работают при больших нагрузках и высоких температурах (500-1000^оС). Для изготовления таких деталей применяют специальные жаропрочные стали. К числу жаропрочных относят стали, содержащие хром, кремний, молибден, никель и др. Они сохраняют свои прочностные свойства при нагреве до 650^оС и более.

 

22. Медь и её сплавы. Маркировка, свойства, применение.

 

Ответ: Чистую медь применяют для электротехнических целей и поставляют в виде полуфабрикатов - проволоки, прутков, лент, листов, полос и труб.

Различают три группы медных сплавов: латуни, бронзы, сплавы меди с никелем.

Латуни. Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк.

В сравнении с медью латуни обладают большей прочностью, коррозионной стойкостью и лучшей обрабатываемостью (резанием, литьем, давлением). Латуни содержат до 40-45% цинка.

Сплав обозначают буквой Л - латунь. Затем следуют первые буквы основных элементов образующих сплавов: Ц - цинк, О - олово, Мц - марганец, Ж - железо, Ф - фосфор, Б - бериллий и т.д. Цифры следующие за буквами, указывают на количество легирующего элемента в процентах.

Бронзы. Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием называют бронзами. В зависимости от введенного элемента бронзы называют оловянными, алюминиевыми и т.д.

Бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными и высокими антифрикционными свойствами и обрабатываемостью резанием.

Бронзы маркируют буквами Бр, правее ставят элементы, входящие в бронзу: О - олово, Ц - цинк, С - свинец, А - алюминий, Ж - железо, Мг - марганец и др. Затем ставят цифры, обозначающие среднее содержание элементов в

процентах (цифру, обозначающую содержание меди в бронзе, не ставят).

 

23. Алюминий и его сплавы. Маркировка, свойства, применение.

 

Ответ:

Алюминий - легкий металл серебристо-белого цвета с высокой электро- и теплопроводностью; плотность его 2700кг/м³, температура плавления в зависимости от чистоты колеблется в пределах 660-667^оС. В отожженном состоянии алюминий имеет малую прочность, низкую твердость (НВ 20-40), но обладает высокой пластичностью.

Алюминий хорошо обрабатывается давлением, сваривается, но плохо поддается резанию. Имеет высокую стойкость против атмосферной коррозии и в пресной воде.

В качестве конструкционных материалов алюминий широко применяют в виде сплавов с другими металлами и неметаллами (медь, магний, кремний, железо, никель, титан и др.). Алюминиевые сплавы сочетают в себе лучшие свойства чистого алюминия и повышенные прочностные характеристики легирующих добавок. Все сплавы алюминия подразделяют на деформируемые и литейные.

Деформируемые сплавы разделяют на сплавы, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой.

Термически не упрочняемые сплавы - это сплавы алюминия с марганцем (Амц) и алюминия с магнием и марганцем (Амг). Они обладают умеренной прочностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и пластичностью.

Термически упрочняемые сплавы приобретают высокие механические свойства и хорошую сопротивляемость коррозии только в результате термической обработки. Наиболее распространены сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем (дуралюмины) и алюминия с медью, магнием, марганцем и цинком (сплавы высокой прочности).

Дуралюмины маркируют буквой Д, после которой стоит цифра обозначающая номер сплава.

Алюминиевые литейные сплавы маркируют буквами АЛ и цифрой, указывающей условный номер сплава. Сплавы на основе алюминия и кремния называют силуминами.

Свойства алюминиевых литейных сплавов существенно зависят от способа литья и вида термической обработки. Важное значение при литье имеет скорость охлаждения её при закалке.

 

24. Титан и его сплавы. Маркировка, свойства, применение.

 

Ответ:

Получение титана. Титан - серебристо-белый металл с высокой механической прочностью и высокой коррозионной и химической стойкостью.

Свойства и применение титана. Прочность технически чистого титана зависит от степени его чистоты и соответствует прочности обычных конструкционных сталей. По коррозионной стойкости титан превосходит даже высоколегированные нержавеющие стали.

Для получения сплавов титана с заданными механическими свойствами его легируют алюминием, молибденом, хромом и другими элементами. Главное преимущество титана и его сплавов заключается в сочетании высоких механических свойств и коррозионной стойкости с малой плотностью.

Сплавы хорошо поддаются горячей и холодной обработке давлением, обработке резанием, имеют удовлетворительные литейные свойства, хорошо свариваются в среде инертных газов. Сплавы удовлетворительно работают при температурах до 350-500^оС.

По технологическому назначению титановые сплавы делят на деформируемые и литейные, а по прочности - на три группы низкой, средней и высокой прочности. К первой группе относят сплавы под маркой ВТ1, ко второй - ВТ3, ВТ4, ВТ5 и др., к третьей - ВТ6, ВТ14, ВТ15 (после закалки и старения).