Вопросы для самоподготовки к зачетам и экзаменам по материаловедению

36. закаливаемость и  прокаливаемость.  Способы закалки.  Охлаждающие среды. Дефекты закалки. 

 Под закаливаемостью  понимают способность стали к  повышению твердости

 Под прокаливанием  понимают способность стали закаливаться на определенную глубину.

 Глубина закаленной зоны является критерием прокаливаем  ости. Обычно детали имеют более высокую твердость на поверхности и меньшую в сердцевине. Это объясняется теплопроводностью стали. Однако большинство деталей должны прокаливаться насквозь. Для обеспечения сквозной прокалки и контроля на ней был введен термин – критический диаметр. Под которым понимают максимальную размерность сечения детали, которая прокаливается насквозь. Для этого, чтобы закалить деталь насквозь в данном охладителе, необходимо чтобы критический диаметр D_кр больше диаметра сечения детали.

 В зависимости  от состава стали, формы и детали выбирают способ закалки. К основным способам закалки относятся: закалка в одном охладителе, прерывистая закалка, изотермическая закалка и различные сочетания этих способов.

 Закалка в одном охладителе - это наиболее распространенный способ закалки, заключается в нагреве стали выше температур, соответствующих   критической точке A_c1 и A_c3  с последующей выдержкой и охлаждением со скоростью выше критической в одном охладителе  (1). В качестве охлаждающей среды для углеродистых и низколегированных сталей служит вода, легированных - масло.  Некоторые высоколегированные стали закаливают на спокойном воздухе. Немаловажное значение имеет и площадь сечения детали; так углеродистые и низколегированные стали с сечением 5 мм закаливают в воде. Детали переменного сечения или сечения менее 5 мм можно закаливать и в масле, поскольку охлаждающей способности масла достаточно, для того чтобы прокалить детали тонкого сечения насквозь. Недостаток: возникновение больших внутренних напряжений, и образование трещин.

 Закалка в двух средах - этот способ заключается в том, что нагретую до необходимой температуры деталь, выдержанную при этой температуре,  переносят в охладитель, обеспечивающий такую скорость охлаждения, которая предотвратила бы распад переохлажденного аустенита в области температур минимальной устойчивости аустенита, например в воду, а затем переносят в менее интенсивно охлаждающую среду, в которой  собственно и происходит закалка(2). Такой способ закалки позволяет снизить уровень закалочных напряжений и предотвратить появление таких закалочных дефектов как, например корабление. Недостаток: требуется высокая квалификация рабочих

 Струйчатая  закалка - этот способ применяется в том случае, когда нет необходимости закаливать деталь на одинаковую твердость по всей поверхности. Для таких типов деталей, как зубило важно получить высокую твердость рубящей кромки при сохранении вязкого хвостовика; в этом случае инструмент, нагретый до заданной температуры, охлаждают с рабочей поверхности струями воды, тем самым разрушается "паровая рубашка" и рабочая поверхность инструмента интенсивно охлаждается.

 Закалка самоотпуском - этот способ практически несет то же функциональное назначение, что и струйчатая закалка, например зубило, нагревают до заданной температуры и переносят в охлаждающую среду только рабочую часть, затем после извлечения из   закалочной среды проводят выдержку на свободном воздухе в результате которой рабочая часть отпускается за счет нагрева от нерабочей, неохлажденной части. Температуру отпуска охлажденной части контролируют визуально по цветам побежалости. Закалку с самоотпуском можно проводить и другим методом, для этого деталь (инструмент) полностью подвергают закалке, а затем нагревают только нерабочую часть и за счет теплопроводности  отпускается рабочая часть.

 Ступенчатая закалка - этот способ является разновидностью способа закалки в двух средах(2). Однако является более эффективной с точки зрения обработки детали деталь переменного сечения. При охлаждении до температуры несколько выше точки начала мартенситного превращения необходимо выровнять температуру по всем сечениям, для этого делают выдержку в первом охладителе до выравнивания температуры, а затем переносят деталь во вторую охлажденную среду, в которой и происходит закалка.   

 Изотермическая  закалка - в отличие от ступенчатой при изотермической закалке деталь помещают в охлаждающую среду с температурой несколько выше температуры начала мартенситного превращения и выдерживают в этой среде до полного завершения превращения (4). В результате изотермической закалки образуется структура - бейнит, которая по сравнению с мартенситом имеет несколько более низкую твердость и повышенную вязкость.

Обработка стали холодом. В закаленной стали особенно с содержанием углерода более 0,4-0,5% всегда присутствует остаточный аустенит, который понижает твердость, износостойкость. Для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали используют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной стали до температур ниже 0. Понижение температур до -30 - -70град. для большинства сталей вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит, что повышает твердость. Но т.к. одновременно возрастают напряжения, то изделия охлаждают медленно и сразу после обработки холодом выполняют отпуск. Обработку холодом используют для измерительных инструментов, пружин и деталей из цементируемых высоколегированных сталей, сохраняющих много аустенита после закалки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

37. химико-термическая  обработка. Цементация  и азотирование. 

Такая операция, которая сопровождается изменением состава, а вместе с тем и свойств  поверхностного слоя обрабатываемого  изделия. Поверхностная обработка обеспечивает хорошее сочетание твердости поверхностного слоя детали с вязкостью сердцевины.

 Процесс ХТО складывается из 3–х составных:

1.распад  молекул газа с образованием  активных атомов насыщенного элемента. Это диссоциация.

2.Поглощение  атомов насыщенного элемента  поверхностью детали–абсорция.

3.Диффузия атомов  насыщенного элемента в глубь  металла.

 Процесс насыщения поверхности изделия углеродом. Цементация повышает тверость и износостойкость поверхности детали при сохранении вязкости сердцевины. Различают твердую и газовую цементацию. При твердой цементации в ящик заполненный науглеражущим веществом(карбюризатором) и специальными добавками размещают детали. В качестве карбюризатора используют древесный уголь. пРи температуре процесса(900-950 градусах Цельсия) кислород воздуха, расположенного между кусочками угля взаимодействует с углеродом с образования окиси углерода СО. Именно СО, а не СО₂ т.к. процесс идет при недостаточном колличестве кислорода. При контакте окиси углерода с металической поверхностью происходит реакция диссоциации при которой окись углерода распадается на СО₂+реакция диссоциации с образованием активных атомов углерода, кат. диффунд.     2СО₂->СО₂+С

 поверхность металла. В качестве добавок к  карбюризатору используют соли: СО₃, Na₂CO₃, K₂CO₃, являющиеся дополнительным поставщиком окиси углерода.

 Процесс твердой цементации является мало производительным и занимает не один десяток часов.

 Эффективнее способ газовой цементации.

 В этом случае и/з камеру зазмещенные в  ней детали пропускают науглераживающий газ или СО или, что чаще предельные углеводороды(метан, этан, пропан, гексан, октан, нонан, декан). В производстве чаще свего используется природный газ, содержащий до 93-95% группы СН₄. При цементации тщательно регломентируют подачу газа. В случае избытка количества газа на поверхности детали оседает слой сажи т.к. не весь углерод может усваиваться поверхностью детали. Температуру цементации не выбирают ниже А_С1 т.к. ферит практически не растворяет углерод. Процесс осуществляют выше А_С3, а именно при температурах 900–930 градусах Цельсия. После цементации структура по сечению детали не однородна. На ковкости структура соответствующая структуре заэвтектоидной стали. Далее структура эвтектоидной стали(перлит), а затем структура доэтектоидной стали(Ф+П). За толщину слоя принимают толщину заэвт. эвт. и половину доэвт. зоны.

 Результаты  цементации оцениваются глубиной и  степенью цементации. Степень цементации характеризует содержание углерода в поверхностном слое.

 Окончательные свойства формируются после термической  обработки. Термообработка обеспечивает измельчение зерна неизбежно выросшего в процессе выдержки при высокой температуре. Устранение цементитной сетки. Получение структуры мелкодисперсного мартенсита в наружнем слое и феррито-сорбита в серцевине.

 Термообработка  заключается в закалке с температурой 820–840 градусах Цельсия и низком отпуске при температурах 60–64HRC, легированных 57–60HRC.

 Маленькая твердость после ХТО легированных сталей обусловлена повышенным содержанием в структуре аустенита остаточного, для утранения которого после закалки, иногда проводят обработку холодом.

 Для цементироания  применяют стали с низким содержанием  углерода 0.15–0.25%.

Азотирование – насыщение поверх азотом. После азот-я поверхност слой приобретает более высокую твердость, чем после цементации, в связи с образованием мелких и твердых нитридов. Азотирование произв-ся после механ обработки и терм обраб. Т.о. перед азотированием заключается в закалке и последующем высоком отпуске. А проводят при t 500-550, поскольку t более низкая, чем при цементации, то процесс более длительный. Твердые нитриды получ-ся, если в сталь добавить спец легир элементы, такие как Al, молибден. Стали, содержащие набор таких элементовспец разработанных для азотирования наз-ся нитралои. Если азотир обычные углеродстые стали, то твердость нитридов невысокая, и при t 500 они быстор коагулируют. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

38. химико-термическая  обработка. Нитроцементация  и цианирование. Диффузионная металлизация. 

ХТО - это вит  обработки, при котор имеется  состав и и св-ва поверхностных  слоев Ме. Прим для деталей работающих на износ, когда нужно чтобы поверх-ть была прочной, а сердцевина оставалась вязкой. Процесс ХТО состоит из 3-х стадий: диссоциация – происход в газовой среде когда выделяется активный элемент. Абсорбция – происходит на границе газа и Ме и заключается в поверхностными слоями Ме свободных атомов. Этот процесс возможен только тогда, когда свободные атомы способны растворяться в Ме. Диффузия – проникновение насыщающего элемента в глубь. Т.к. скорость диффузии в тверд состоянии мала, то процессы эти длительные и могут продолжаться при азотировании несколько десятков часов. Нитроцементация – процесс одновременного насыщения углеродом и азотом. Этот процесс проводиться при t 840-860. t-ра более низкая в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. В этой среде процесс насыщения углерода идет более интенсивно. Продолжит процесса от 4 до 10 часов. Последующая закалка может осущ-ся прямо из печи с небольшим подстуживанием. Реже прим-ся двойная закалка. Цианирование – это процесс насыщения углеродом и азотом в следствии окисления расплавленных цианистых солей. t-ра 820-960, в расплавлен солях содержащих цианистый натрий. Для получения слоя небольшой толщины от 0,15-0,3 мм цианирование производят при t 820-860 в течении 30-90 мин. Поледующ закалку и низкий отпуск проводят сразу после цианирования. Для получения большего слоя от 0,5-2мм, t цианирования составляет 930-960. время выдержки от 1,5-6 часов. При этих T сталь в больших степенях насыщается углеродом до 0,8-2%. После такого режима деталь охлаждается на воздухе а затем под закалку нагревают в соленых ваннах, после чего подвергаются низкому отпуску.

Диффузионная  металлизация. Целью д м является насыщение поверхностных слоев стали различными элементами с целью повышения коррозионной стойкости, повышения твердости, усталостной прочности. Насыщение производят хромом. Процесс наз-ся хромированием, кремнием – сицилированием, Al – алиторованием, бором – борированием, при борировании резко повышается твердость поверх-х слоев, их износостойкость. Процесс борирования очень капризный, он требует четкого соблюдения технологии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

39. термомеханическая  обработка. 

ТМО заключается  в сочетании пластической деформации стали в аустенитном состоянии  с закалкой. Формирование структуры закаленной стали при тмо происходит в условиях повышенной плотности и оптимального распределения дислокаций, обусловленных условиями горячей деформации. Различают два основных способа: высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) и низкотемпературная термомех обработка (НТМО). ВТМО: сталь деформируют при t выше А_С3 при которой сталь имеет аустенитную структуру. Степень деформации составляет 20-30%. После деформации следует немедленная закалка во избежании развития рекристаллизации. НТМО сталь деформируют в t зоне существования переохлажденного А в области его относительной устойчивости 400-600. t деформации должна быть выше точки М_Н, но ниже температуры рекристалл. Степень деформации обычно составляет 75-95%. Закалку осуществляют сразу после деформации. После закалки в обоих случаях следует низкоt отпуск 100-300. Такая комбинированная тмо позволяет получить очень высокую прочность, хорошую пластичность и вязкость.

Возрастают пластичность и сопротивление разрушению. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

40. алюминий и его  сплавы. Достоинства  и недостатки, область  применения. Классификация аллюминиевых сплавов. Пресс-эффект в аллюминиевых сплавах. 

Алюминий –  металл серебристо-белого цвета. Температура  плавления – 600град.С, имеет ГЦК решетку. В чистом виде используется в электротехнической промышленности (провода, фольга). Основное применение находят сплавы на основе алюминия (ал-медь, ал-кремний, ал-магний, ал-медь-магний, ал-медь-магний-кремний, ал-магний-кремний)