Химико-термическая обработка стали. Общие сведения. Виды

Диффузия

Билет №5

1. Жаростойкость — когда механические параметры материалов сохраняются или незначительно изменяются при высоких температурах.

Жаропрочность — свойство материалов длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при высоких температурах, которые имеют место в двигателях внутреннего сгорания.

Хладноломкость — возрастание хрупкости материала при понижении температуры. При низких температурах (в технике — от 0 до — 50°С) снижается пластичность и вязкость материалов, повышается склонность к хрупкому разрушению.

2. Сплавы цветных металлов применяют для изготовления деталей, работающих в условиях агрессивной среды, подвергающихся трению, требующих большой теплопроводности, электропроводности и уменьшенной массы.

1.Тяжелые: медь, никель, свинец, цинк, олово.

2.Легкие: алюминий, магний, литий, натрий, калий, бериллий, кальций, стронций, барий.

3.Благородные: золото, серебро, платина и ее спутники.

4.Малые: висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть, кобальт.

5.Редкие. К этой группе в зависимости от технологических особенностей производства, содержания в рудах и других свойств относят от 50 до 60 элементов

Применение

В современной технике объем применения цветных металлов и сплавов на их основе непрерывно растет. В связи с бурным развитием авиастроения, ракетной и атомной техники, химической промышленности в качестве конструкционных материалов в настоящее время стали применять такие металлы (и сплавы на их основе), как титан, цирконий, никель, молибден и даже ниобий, гафний и др.

Билет №6

1. Главным критерием классификации материалов по структурным признакам является агрегатное состояние, в зависимости от которого материалы подразделяются на следующие типы:

— твердые материалы;

— жидкости;

— газы;

— плазма.

В зависимости от количества фаз и степени неоднородности структуры материалы подразделяются на:

— простые, состоящие из одного элемента или соединения и имеющие однородную макроструктуру;

— композиционные, состоящие из нескольких фаз и имеющие неоднородную структуру;

— сплавы, материалы с однородной макроструктурой, образовавшиеся в результате затвердения расплава химически разнородных веществ.

По назначению технические материалы делят на следующие группы:

1) Конструкционные материалы — твердые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механическим нагрузкам. Они должны обладать комплексом механических свойств, обеспечивающих требуемые работоспособность и ресурс изделий при воздействии рабочей среды.

Конструкционные материалы подразделяют на типы:

— металлы;

— силикаты и керамика;

— полимеры;

— резина;

— древесина;

— композиционные материалы.

2) Электротехнические материалы характеризуются особыми электрическими и магнитными параметрами и предназначены для изготовления изделий, применяемых для производства, передачи, преобразования и потребления электроэнергии.

3) Триботехнические материалы предназначены для применения в узлах трения с целью регулирования параметров трения и изнашивания для обеспечения заданных работоспособности и ресурса этих узлов.

Основными видами таких материалов являются:

- смазочные — смазки в твердой, жидкой, газообразной фазах;

— антифрикционные — сплавы цветных металлов, серый чугун, пластмассы, металлокерамические композиционные материалы, древесина и древесно-слоистые пластики, резины;

— фрикционные, имеющие большой коэффициент трения и высокое сопротивление изнашиванию.

4) Инструментальные материалы отличаются высокими показателями твердости, износоустойчивости и прочности. Они предназначены для изготовления режущего, 0мерительного, слесарно-монтажного и другого инструмента.

5) Рабочие тела — газообразные или жидкие материалы, с помощью которых энергию преобразуют в механическую работу (масла в гидроприводе, воздух в пневматических системах, газообразные продукты сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания).

6) Топливо — горючие материалы, основной частью которых является углерод, применяемый с целью получения при их сжигании тепловой энергии.

По происхождению топливо делят на:

— природное (нефть, уголь, природный газ, древесина);

— искусственное (кокс, моторные топлива, генераторные газы).

7) Технологические материалы — обширная группа вспомогательных материалов, используемых для обеспечения оптимального протекания технологических процессов переработки основных технологических материалов в изделия или обеспечения нормальной работы машин и механизмов.

2. Композиционные материалы – искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.

По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяются на три группы:

· с нульмерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;

· с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;

· с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий

По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:

· с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;

· с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;

· с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.

По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:

· композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;

· композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;

· композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;

· композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.

Применение

в медицине, спортивное оборудование, машиностроение, товары широкого потребления

Билет №7

1. Коррозией называется разрушение металла под действием внешней агрессивной среды в результате ее химического или электрохимического воздействия.

Различают химическую коррозию, обусловленную воздействием на металл сухих газов и неэлектролитов (например, нефтепродуктов) и электрохимическую, возникающую под действием жидких электролитов или влажного воздуха. По характеру коррозионного разрушения различают сплошную и местную коррозию. Сплошная коррозия захватывает всю поверхность металла. Ее делят на равномерную и неравномерную в зависимости от того, одинаковая ли глубина коррозионного разрушения на разных участках. При местной коррозии поражения локальны.

В зависимости от степени локализации различают пятнистую, язвенную, точечную, межкристаллитную и др. виды местной коррозии.

Самый надежный способ защиты от коррозии — применение коррозионностойких сталей или антикоррозионных покрытий. Коррозионная стойкость достигается при введении в сталь элементов, образующих на ее поверхности тонкие и прочные оксидные пленки. Наилучший из этих элементов — хром. При введении в сталь 12-14% хрома она становится устойчивой против коррозии в атмосфере, воде, ряде кислот, щелочей и солей. Стали, содержащие меньшее количество хрома, подвержены коррозии точно так же, как и углеродистые стали. В технике применяют хромистые и хромоникелевые коррозионностойкие стали.

2. К конструкционным сталям, применяемым для изготовления разнообразных деталей машин, предъявляют следующие требования:

· сочетание высокой прочности и достаточной вязкости

· хорошие технологические свойства

· экономичность

· недефицитность

Высокая конструкционная прочность стали, достигается путем рационального выбора химического состава, режимов термической обработки, методов поверхностного упрочнения, улучшением металлургического качества.

Решающая роль в составе конструкционных сталей отводится углероду. Он увеличивает прочность стали, но снижает пластичность и вязкость, повышает порог хладоломкости. Поэтому его содержание регламентировано и редко превышает 0,6 %.

Влияние на конструкционную прочность оказывают легирующие элементы. Повышение конструкционной прочности при легировании связано с обеспечением высокой прокаливаемости, уменьшением критической скорости закалки, измельчением зерна.

Применение упрочняющей термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

Металлургическое качество влияет на конструкционную прочность. Чистая сталь при одних и тех же прочностных свойствах имеет повышенные характеристики надежности.

Билет №8

1. Сплавом называется макроскопически однородная система, состоящая из двух и более химических элементов. Вещества, образующие систему, называют компонентами.

Компонентами сплава могут быть металлы (железо, медь, алюминий, никель и т. д.) и неметаллические элементы (углерод).

Эвтектикой называют механическую смесь двух фаз, одновременно кристаллизовавшихся из жидкого сплава. Эвтектика имеет определенный химический состав и образуется при постоянной температуре.

Между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния, и свойствами сплава существует определенная зависимость.

При образовании твердого раствора предел прочности, текучести и твердость повышаются при сохранении достаточно высокой пластичности. При образовании твердого раствора внедрения прочность во много раз больше, чем при образовании твердого раствора замещения той же концентрации.

Благодаря высокой пластичности сплавы — твердые растворы легко деформируются, но плохо обрабатываются резанием. Такие сплавы имеют низкие литейные свойства.

Химические соединения, образующиеся в сплавах, обладают свойствами, резко отличающимися от свойств исходных компонентов. Они имеют очень высокую твердость, но хрупки. Химические соединения имеют большое значение в качестве твердых структурных составляющих в сплавах.

2. Литейное производство — отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением фасонных деталей и заготовок путём заливки расплавленного металла в форму, полость которой имеет конфигурацию требуемой детали.

Современное состояние литейного производства определяется совершенствованием традиционных и появлением новых способов литья, непрерывно повышающимся уровнем механизации и автоматизации технологических процессов, специализацией и централизацией производства, созданием научных основ проектирования литейных машин и механизмов.

Важнейшим направлением повышения эффективности является улучшение качества, надежности, точности и шероховатости отливок с максимальным приближением их к форме готовых изделий путем внедрения новых технологических процессов и улучшения качества литейных сплавов, устранение вредного воздействия на окружающую среду и улучшения условий труда.

Литье является наиболее распространенным методом формообразования.

Преимуществами литья являются изготовление заготовок с наибольшими коэффициентами использования металла и весовой точности, изготовление отливок практически неограниченных габаритов и массы, получение заготовок из сплавов, неподдающихся пластической деформации и трудно обрабатываемых резанием (магниты).

Для изготовления отливок служит литейная форма, которая представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка.

Литейные формы изготовляют как из неметаллических материалов (песчаные формы, формы изготовляемые по выплавляемым моделям, оболочковые формы) для одноразового использования, так и из металлов (кокили, изложницы для центробежного литья) для многократного использования.

Билет №9

1. Сплавы железа с углеродом являются основой так называемых черных сплавов — сталей и чугунов, которые служат важнейшими конструкционными материалами в технике. Структура и свойства любого сплава зависят прежде всего от свойств базового компонента и элементов-добавок, а также от характера их взаимодействия.

Железоуглеродистые сплавы могут иметь следующие структурные составляющие.

Углерод является неметаллическим элементом. Температура плавления углерода 3500°С. Углерод в природе может существовать в двух полиморфных модификациях: алмаз и графит. Форма алмаза в сплавах не встречается.

Углерод растворим в железе. В жидком и твердом состояниях, может образовывать химическое соединение — цементит, может находиться в свободном виде в форме графита.

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода и других элементов в а-железе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Растворимость углерода в феррите очень мала: при комнатной температуре до 0,005 %; наибольшая растворимость 0,02 % при 727°С. Феррит высокопластичен и мягок, хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии.

Аустенит (А) — твердый раствор углерода и других элементов в у-железе. Существует только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в у-железе 2,14 % при температуре 1147°С и 0,8 % при 727°С. Эта температура является нижней границей существования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит высокопластичен, но более тверд, чем феррит.

Цементит (Ц) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67 % углерода. Температура плавления цементи i около 1600°С. Имеет сложную кристаллическую решетку. Самая твердая и хрупкая составляющая железоуглеродистых сплавов. Цементит неустойчив и в определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита по реакции:

Чем больше цементита в железоуглеродистом сплаве, тем выше его твердость.

Графит — аллотропическая модификация углерода. Графит мягок, прочность его очень низкая. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм. Форма графитовых включений влияет на механические и технологические свойства сплава.

Перлит (П) — механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 % углерода. Образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита при температуре 727°С. Этот распад называется эвтектоидным, а перлит — эвтектоидом. Перлит обладает высокими прочностью, твердостью и повышает механические свойства сплава.

Ледебурит — механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3 % углерода. Образуется в результате эвтектического превращения при температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит превращается в перлит, и после охлаждения ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом. Ледебурит имеет высокую твердость и большую хрупкость. Содержится во всех белых чугунах.

2. Литейные сплавы представляют собой многокомпонентные вещества металлического свойства, которые состоят из смеси основного, то есть технически чистого металла, а также определенных примесей (легирующих элементов), придающих литейному сплаву заданные свойства.

Литье в песчаные формы является самым распространенным способом изготовления отливок. Изготавливают отливки из чугуна, стали, цветных металлов от нескольких грамм до сотен тонн, с толщиной стенки от 3…5 до 1000 мм и длиной до 10000 мм.

Сущность литья в песчаные формы заключается в получении отливок из расплавленного металла, затвердевшего в формах, которые изготовлены из формовочных смесей путем уплотнения с использованием модельного комплекта.

Дефекты отливок по внешним признакам подразделяют: на наружные (песчаные раковины, перекос недолив); внутренние (усадочные и газовые раковины, горячие и холодные трещины).

Песчаные раковины – открытые или закрытые пустоты в теле отливки, которые возникают из-за низкой прочности формы и стержней, слабого уплотнения формы и других причин.

Перекос – смещение одной части отливки относительно другой, возникающее в результате небрежной сборки формы, износа центрирующих штырей, несоответствия знаковых частей стержня на модели и в стержневом ящике, неправильной установке стержня.

Билет №10

1. Различают следующие основные виды деформации: сжатие, растяжение, кручение, сдвиг (срез), изгиб.

1) Сжатие — это деформация, характеризуемая уменьшением объема тела под действием сдавливающих его сил. Сжатию подвергаются строительные колонны, фундаменты машин, амортизационные подушки и др.

2) Растяжение — это деформация, характеризуемая увеличением длины тела, когда к обоим его концам приложены силы, равнодействующие которых направлены вдоль оси тела. Растяжению подвергаются тросы грузоподъемных машин, крепежные детали, приводные ремни и др.

3) Кручение — это деформация тела с одним закрепленным концом под действием пары равных, противоположно направленных сил, плоскость которых перпендикулярна к оси тела (например, валы двигателей, коробок передач и др.).

4) Сдвиг (срез) — когда две силы направлены друг другу навстречу и лежат не на одной прямой, но достаточно близко друг к другу, то при определенной величине сил происходит срез. На срез работают заклепки, стяжные болты и др.

Деформация, предшествующие срезу, называется сдвигом.

5) Изгиб — это деформация тела под действием внешних сил, сопровождающаяся изменением кривизны деформируемого тела. Изгибу подвержены балки грузоподъемных механизмов, валы машин, рессоры и др.

2. В современном литейном производстве все более широкое применение получают специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное, под давлением, центробежное и другие.

Эти способы позволяют получать отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на механическую обработку, а иногда полностью исключают ее, что обеспечивает высокую производительность труда. Каждый специальный способ литья имеет свои особенности, определяющие области применения.

Литье в оболочковые формы - процесс получения отливок из расплавленного металла в формах, изготовленных по горячей модельной оснастке из специальных песчано-смоляных смесей.

Литье по выплавляемым моделям – процесс получения отливок из расплавленного металла в формах, рабочая полость которых образуется благодаря удалению (вытеканию) легкоплавкого материала модели при ее предварительном нагревании.

Литье в металлические формы (кокили) получило большое распространение. Этим способом получают более 40% всех отливок из алюминиевых и магниевых сплавов, отливки из чугуна и стали.

Литье в кокиль – изготовление отливок из расплавленного металла в металлических формах-кокилях. Формирование отливки происходит при интенсивном отводе теплоты от расплавленного металла, от затвердевающей и охлаждающейся отливки к массивному металлическому кокилю, что обеспечивает более высокие плотность металла и механические свойства, чем у отливок, полученных в песчаных формах. Литье в кокиль позволяет сократить или избежать расхода формовочных и стержневых смесей, трудоемких операций формовки и выбивки форм, повысить точность размеров и снизить шероховатость поверхности, улучшить механические свойства.

При центробежном литье сплав заливается во вращающиеся формы. Формирование отливки осуществляется под действием центробежных сил, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок. Центробежным литьем изготовляют отливки в металлических, песчаных, оболочковых формах и формах для литья по выплавляемым моделям на центробежных машинах с горизонтальной и вертикальной осью вращения.

Билет №11

1. Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий от 2,14 до 6,67% углерода. Но это теоретическое определение. На практике содержание углерода в чугунах находится в пределах 2,5-4,5%. В качестве примесей чугун содержит Si, Mn, S и Р.

Классификация чугунов. В зависимости от того, в какой форме содержится углерод в чугунах, различают следующие их виды.

В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Структура белого чугуна соответствует диаграмме Fe-Fe3C.

В сером чугуне большая часть углерода находится в виде графита, включения которого имеют пластинчатую форму.

В высокопрочном чугуне графитные включения имеют шаровидную форму, а в ковком — хлопьевидную. Содержание углерода в виде цементита в сером, высокопрочном и ковком чугунах может составлять не более 0,8%.

Классификация чугуна осуществляется по следующим признакам:

- По состоянию углерода – свободный (графит) или связанный (цементит)

- По форме включений графита

- По типу структуры металлической основы (матрицы)

- По химическому составу