Билет № 9
Вопросы по материаловедению!
1.Что такое: прочность, твердость, упругость, вязкость, выносливость. Их характеристики, обозначения характеристики, единица измерения. 2. Что такое аллотропия, анизотропия, изотропия, ликвация, модифицирование. 3. Что такое наклеп. Возврат и рекристаллизация. Понятие горячей и холодной пластической деформации. 4. Влияние углерода, марганца, кремния, серы, фосфора и газов (кислорода, азота, водорода) на свойство стали. 5. Классификация сталей по химическому составу, по применению, по качеству, по степени раскиления. Маркировка сталей. 6. Чугуны с графитом. Классификация чугунов с графитом по форме. Маркировка. 7. Сущность отжига 1 рода. Виды: гомогенизация, рекристаллизационный отжиг, отжиг для снятия напряжений. С какой целью проводят. 8. Отжиг 2 рода. Виды: полный, изотермический, неполный и сфероидизирующий. Для каких сталей и с какой целью проводят. 9. Сущность и назначения закалки. Структура и свойства закаленной стали.. 10. Отпуск стали. Разновидности отпуска(низкий, средний, высокий). Свойства после всех видов отпуска, для каких деталей применяют.
Ответы на билеты! Прочность свойство твёрдых тел сопротивляться разрушению (разделению начасти), а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под действием внешнихнагрузок. В узком смысле — сопротивление разрушению. Твердость- Твердость, способность материала сопротивляться пластической деформации или разрушению при местном силовом воздействии; одно из основных механических свойств материалов. Зависит от структуры материала и других его механических характеристик, главным образом модуля упругости при деформации и предела прочности при разрушении, количественная связь с которыми устанавливается теорией упругости. Упругость- свойство материала под действием механических напряжений при котором деформация обратима: после снятия напряжений материал остается недеформированным. Упругая деформация является функцией напряжения: ε=ḟ(σ). Противоположность упругости называется пластичность. Вязкость- одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате работа, затрачиваемая на это перемещение, рассеивается в виде тепла. Выносливость-способность материалов и конструкций сопротивляться действию повторных (циклических) нагрузок. Прочность единица измерения броннель. Твердость по раквеллу. Упругость паскаль.
Билет 2. Аллотропия-свойство некоторых химических элементов, позволяющее им существовать в двух или болееразличных физических формах. Каждая форма (называемая аллотропом) может иметь различныехимические свойства, но способна превратиться и в другой аллотроп, если будут созданы соответствующиеусловия. Примером аллотропов являются молекулярный кислород и озон, белый и желтый фосфор, графити алмаз (уголь). Анизотропия-различие свойств среды(например, физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) в различных направлениях внутри этой среды; в противоположность изотропии. Изотропия- одинаковость физических свойств во всех направлениях, инвариантность, симметрияпо отношению к выбору направления (в противоположность анизотропии; частный случай анизотропии —ортотропия). Ликвация- (от лат. liquatio — разжижение, плавление), сегрегация (от позднелат. segregatio — отделение) в металлургии, неоднородность химического состава сплавов, возникающая при их кристаллизации. Особое значение имеет Л. в стали, впервые обнаруженная русскими металлургами Н. В. Калакуцким и А. С. Лавровым в 1866. Модифицирование- металлов и сплавов, введение в расплавленные металлы и сплавы Модификаторов, небольшиеколичества которых резко влияют на кристаллизацию, например вызывают формирование структурныхсоставляющих в округлой или измельченной форме и способствуют их равномерному распределению восновной фазе. Билет 3. Наклеп-способность металлов и сплавов,изменение структуры и соответственно свойств металлов и сплавов, вызванноепластической деформацией при температуре ниже температуры рекристаллизации. Возврат- металлов, процесс частичного восстановления структурного совершенства и свойств деформированныхметаллов и сплавов при их нагреве ниже температур рекристаллизации осуществляется перераспределением и уменьшением концентрации точечных дефектов и дислокаций не связанных с образованием и движением границ зёрен Рекристаллизация- процесс роста одних кристаллических зёрен поликристалла за счёт других. Протекает особенно интенсивнов пластически деформированных материалах. Холодная деф. проводиться при тем-рах ниже тем-ры рекристаллиз. и сопровождается наклёпом (наготовка).Гор. деф. провод-ся при тем-рах выше тем-ры рекристаллиз. При горячей деф. наклёп не происходит поскольку этот наклёп сразу устраняется рекристаллизацией. Тем-ра рекристаллиз. для чистых металлов м.б. рассчитана исходя из соотношения предложенного Бочваром А.А.: Tp=a*Tпл, а=0,2…0,6.
Билет 4. Влияние углерода- С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного. Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость. Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции. Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.
Влияние марганца- Марганец присутствует практически во всех сталях в количестве от 0,30 % и более. Марганец применяют для удаления из стали кислорода и серы. Он имеет меньшую тенденцию к сегрегации, чем любой другой легирующий элемент. Марганец благоприятно влияет на качество поверхности во всем диапазоне содержания углерода, за исключением сталей с очень низким содержанием углерода, а также снижает риск красноломкости. Марганец благоприятно влияет на ковкость и свариваемость сталей. Влияние кремния- Кремний является одним из основных раскислителей, которые применяют при выплавке сталей. Поэтому содержание кремния задает тип произведенной стали. Спокойные углеродистые стали могут содержать кремния до максимум 0,60 %. Полуспокойные стали могут содержать умеренные количества кремния, например, 0,10 %. Влияние серы- Содержание серы (S) в высококачественных сталях не превышает 0,02-0,03 %. В сталях общего назначения допустимое содержание серы выше – 0,03-0,04 %. Специальной обработкой жидкой стали содержание серы в стали доводят до 0,005 %. Сера не растворяется в железе, поэтому любое ее количество образует с железом сульфид железа FeS. Этот сульфид входит в состав эвтектики, которая образуется при 988 °С. Влияние фосфора- Фосфор (Р) сегрегирует при затвердевании стали, но в меньшей степени, чем углерод и сера. Фосфор растворяется в феррите и за счет этого повышает прочность сталей. С увеличением содержания фосфора в сталях их пластичность и ударная вязкость снижается и повышается склонность к хладноломкости. Растворимость фосфора при высокой температуре достигает 1,2 %. С понижением температуры растворимость фосфора в железе резко падает до 0,02-0,03 %. Такое количество фосфора характерно для для сталей, то есть весь фосфор обычно растворен в альфа-железе. Влияние водорода- Водород, присутствующий в стали. Влияет на ее эксплуатационные свойства и приводит к специфическим металлургическим дефектам металла – образованию флокенов и водородному охрупчиванию стали. Влияние кислорода- Кислород растворяется во многих металлах, в том числе и в железе. Изучение особенностей растворения кислорода в железе позволяет сделать выводы относительно взаимодействия кислорода со сталью, основой которой является железо. Железо с кислородом образует три оксида в результате следующих реакций Влияние азота- зот является одним из наиболее распространенных элементов: его содержание в нижних слоях атмосферы составляет 78,11% а в земной коре – 0,04%. В нормальных условиях (Т=20 °С и P=1атм) азот представляет собой 2-х атомный газ. Атомный номер – 7, атомный вес – 14,008, плотность молекулярного азота – 1,649×10-3 г/см3. Температура плавления – 209,9 °С, а температура кипения – 195,7 °С.
Билет №5 Классификация по химическому составу: По химическому составу сталь подразделяют на углеродистую и легированную. Углеродистые стали разделяют по содержанию углерода на: - малоуглеродистые: менее 0,3 % углерода; Легированные стали разделяют по общему содержанию легирующих элементов на: - низколегированные: менее 2,5 %;
По качеству: Стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные. По степени раскисления: Спокойная, Полуспокойная, кипящая.. Маркировка сталей: Расшифровка марок сталей не очень сложное дело, если знать какими буквами принято обозначать те или иные химические элементы, входящие в состав марки или сплава.
Например, буквой Х - обозначается хром, Н никель, К - кобальт, М - молибден, В - вольфрам, Т - титан, Д - медь, Г - марганец, С - кремний, Ф - ванадий, Р - бор, А - азот, Б - ниобий, Е - селен, Ц - цирконий, Ю - алюминий, Ч - показывает о наличии редкоземельных металлов
Также существуют свои обозначения для разных типов сталей в зависимости от их состава и предназначения. Буквенные обозначения применяются также для указания способа раскисления стали: КП — кипящая сталь ПС — полуспокойная сталь СП — спокойная сталь
Конструкционные стали обыкновенного качества нелегированные обозначают буквами Ст. (например, Ст.3; Ст.3кп) Цифра, стоящая после букв, условно обозначает процентное содержание углерода в стали (в десятых долях), индекс кп указывает на то, что сталь относится к кипящей, т.е. неполностью раскисленная в печи и содержащая незначительное количество закиси железа, что обусловливает продолжение кипения стали в изложнице. Отсутствие индекса означает, что сталь спокойная.
Конструкционные нелегированные качественные стали (например, Ст.10; Сталь 20; Ст.30; Ст.45), обозначают двузначным числом, указывающим на среднее содержание углерода в стали 0,10%; 0,20%; и т.д.
Конструкционная низколегированная 09Г2С расшифровывается как сталь, углерода в которой около 0,09% и содержание легирующих компонентов марганца, кремния и других, составляет в сумме менее 2,5%. Стали 10ХСНД и 15ХСНД отличаются разницей углерода, в таких сталях среднее содержание каждого элемента содержится менее 1% процента, поэтому цифры за буквой не ставятся.
Конструкционные легированные стали, такие как 20Х; 30Х; 40Х обозначают буквами и цифрами, в данном случае марка показывает содержание углерода и основного легирующего элемента хрома. Цифры после каждой буквы обозначают примерное содержание соответствующего элемента, однако при содержании легирующего элемента менее 1,5% цифра после соответствующей буквы не ставится. 30ХГСА хромокремнемарганцевая сталь, обладает большой прочностью и повышенным сопротивлением к ударным нагрузкам. В состав марки входит углерод 0,30%, кроме углерода содержит марганец, кремний и хром, примерно в равных долях по 0,8-1,1% Содержание серы и фосфора не должно превышать 0,03% для каждого из этих элементов, поэтому в конце таких марок ставится буква А, что свидетельствует о дополнительных показателей качества марок, (например, 20ХН4ФА; 38ХН3МА). Также обозначаются и конструкционные рессорно-пружинные стали, такие как 60С2А, 65Г, где первые цифры показывают углерод в сотых долях процента. (0,60 и 0,65 соответственно).
Расшифровка сталей конструкционных подшипниковых, производится так, они обозначаются также как и легированные, маркировка начинается с буквы Ш (например, ШХ4; ШХ15; ШХ15СГ). Цифра 15 говорит о содержании легирующего хрома, примерная доля которого равна 1,5%, в стали ШХ4 0,4% соответственно. Существует множество других марок, подробнее о наличии в них элементов и примесей можно узнать в нашем марочнике, для этого достаточно воспользоваться поиском.
Качественные стали - для производства паровых котлов и сосудов высокого давления, обозначают как конструкционные нелегированные стали, с добавлением буквы К (например, 20К; 22К).
Литейные конструкционные стали обозначаются как качественные и легированные, но в конце наименования ставят букву Л, (35ХМЛ; 40ХЛ и т.п.).
Стали строительные обозначают буквой С и цифрами, соответствующими минимальному пределу текучести стали. Дополнительно применяют обозначения: Т — термоупрочненный прокат, К — повышенная коррозионная стойкость, (например, С345Т; С390К и т. п.). Аналогично буквой Д обозначают повышенное содержание меди, (С345Д; С375Д).
Стали инструментальные нелегированные, делят на качественные, обозначаемые буквой У и цифрой, указывающей среднее содержание углерода (например, У7; У8; У10) и высококачественные, обозначаемые дополнительной буквой А в конце наименования (например, У8А; У10А; У12А) или дополнительной буквой Г, указывающей на дополнительное увеличение содержания марганца (например, У8ГА).
Стали инструментальные легированные, обозначаются также как и конструкционные легированные. Возьмем такую марку как ХВГ, расшифровка этой марки показывает наличие в ней основных легирующих элементов: Хрома, Вольфрама, Марганца. Эта сталь отличается от 9ХВГ, повышенным содержанием в ней углерода, примерно 1%, поэтому цифра в начале марки не ставится.
Стали быстрорежущие расшифровываются следующим образом - такие марки имеют букву Р (с этого начинается обозначение стали), затем следует цифра, указывающая среднее содержание вольфрама (например, Р18; Р9), затем следуют буквы и цифры, определяющие массовое содержание элементов. (например, сталь Р6М5) цифра 5 показывает долю молибдена в этой марке. Содержание хрома не указывают, т. к. оно составляет стабильно около 4% во всех быстрорежущих сталях и углерода, т. к. последнее всегда пропорционально содержанию ванадия. Следует заметить, что если содержание ванадия превышает 2,5%, буква Ф и цифра указывается (например, стали Р6М5Ф3).
Сталь электротехническая нелегированная АРМКО, как ее еще называют: технически чистое железо (например, 10880; 20880 и т.д.) Такие марки содержат минимальное количество углерода, менее 0,04%, благодаря чему имеют очень малое удельное электрическое сопротивление. Первая цифра указывает на вид обработки (1- кованный или горячекатаный, 2- калиброванный). Вторая цифра 0 говорит, что сталь нелегированная, без нормируемого коэффициента старения; 1 с нормируемым коэффициентом старения. Третья цифра указывает на группу по основной нормируемой характеристике. Четвертая и пятая - количество значения основной нормируемой характеристики.
Алюминиевые сплавы маркируются по следующему принципу: марки литейных сплавов имеют первую букву А, за ней Л. Сплавы для ковки и штамповки за буквой А имеют букву К. После этих двух букв ставится условный номер сплава. Принятые обозначения деформированных сплавов такие: сплава авиаль - АВ, алюминиево-магниевого - АМг, алюминиево-марганцового - АМц. Дуралюмины обозначаются буквой Д с последующим условным номером.
Билет №6 Чугуны с графитом- Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного смазочного действия и повышения прочности пленки смазочного материала. Чугуны с графитом, как мягкой и хрупкой составляющей, хорошо обрабатываются резанием (с образованием ломкой стружки) и обеспечивают более чистую поверхность, чем стали (кроме автоматных сталей). Классификация чугунов с графитом по форме: По степени графитизации, формам графита и условиям их образования различают следующие типы чугунов: а) белый, б) половинчатый, в) серый с пластинчатым графитом, г) высокопрочный с шаровидным графитом и д) ковкий.
Перечисленные названия нельзя считать достаточно удачными, поскольку они отражают только вид излома или некоторые свойства и совершенно не характеризуют вид структуры. Однако эти названия исторически сложились и их придерживаются. Характер металлической основы чугуна определяется степенью графитизации, состоянием легирования и видом термической обработки. По степени графитизации белый чугун является почти неграфитизированным, половинчатые чугуны являются малографитизированными, а остальные чугуны —значительно графитизированными.
Маркировка: чугуны с пластинчатым графитом – серые чугуны; чугуны с шаровидным графитом – высокопрочные чугуны; чугуны с хлопьевидным графитом – ковкие чугуны.
Билет № 7. Сущность 1 рода: температура нагревания и время выдержки при этой температуре. Скорости нагревания и охлаждения имеют подчиненное значение. Отличительная особенность отжига 1-го рода по сравнению с отжигом 2-го рода состоит в том, что его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии. Гомогенизация- технологический процесс, производимый над двух или многофазной системой в ходе которого уменьшается степень неоднородности распределения химических веществ и фаз по объёму гетерофазной системы. Рекристализационный отжиг- отжиг используют в промышленности как первоначальную операцию перед холодной обработкой давлением (для придания материалу наибольшей пластичности), как промежуточный процесс между операциями холодного деформирования (для снятия наклепа) и как окончательную (выходную) термическую обработку (для придания полуфабрикату или изделию необходимых свойств).
Билет № 8. Отжиг 2 рода: Отжиг 2-го рода можно проводить с полным изменением фазового состава, когда фазы, существовавшие при комнатной температуре, исчезают при нагревании, а фазы, стабильные при повышенной температуре, исчезают при охлаждении. 1.Полный отжиг, с температурой нагрева на 30…50oС выше критической температуры А3: Тн = А3 + (30..50)оС
Проводится для доэвтектоидных сталей для исправления структуры. При такой температуре нагрева аустенит получается мелкозернистый, и после охлаждения сталь имеет также мелкозернистую структуру.
2.Неполный отжиг, с температурой нагрева на 30…50oС выше критической температуры А1: Тн = А1 + (30..50)оС Применяется для заэвтектоидных сталей. При таком нагреве в структуре сохраняется цементит вторичный, в результате отжига цементит приобретает сферическую форму (сфероидизация). Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, при которой дробится цементитная сетка. Структура с зернистым цементитом лучше обрабатываются и имеют лучшую структуру после закалки. Неполный отжиг является обязательным для инструментальных сталей. Иногда неполный отжиг применяют для доэвтектоидных сталей, если не требуется исправление структуры (сталь мелкозернистая), а необходимо только понизить твердость для улучшения обрабатываемости резанием.
3.Циклический или маятниковый отжиг применяют, если после проведения неполного отжига цементит остается пластинчатым. В этом случае после нагрева выше температуры А1 следует охлаждение до 680oС, затем снова нагрев до температуры 750…760) o С и охлаждение. В результате получают зернистый цементит. 4.Изотермический отжиг – после нагрева до требуемой температуры, изделие быстро охлаждают до температуры на 50…100oС ниже критической температуры А1 и выдерживают до полного превращенияаустенита в перлит, затем охлаждают на спокойном воздухе (рисунок). Температура изотермической выдержки близка к температуре минимальной устойчивости аустенита.Билет № 9. Сущность и назначения закалки: Закалка дает стальной детали большую твердость и износостойкость. Деталь нагревают до определенной температуры, выдерживают некоторое время, необходимое для прогрева всего объема материала, а затем быстро охлаждают. Обычно детали конструкционных сталей нагревают до 880-900 °С, из инструментальных -- до 750-760°С, из нержавеющей стали до 1050-1100°С. Для охлаждения применяют раствор поваренной соли или масло. При охлаждении в масле на поверхности стали образуется плотная пленка оксидов, которая является хорошим антикоррозийным покрытием. При закалке мелких деталей можно легко перекалить их. Во избежание этого пользуются оправдавшим себя способом: раскаляют плоскую крупную болванку, на которую кладут мелкую деталь. Температуру закаливаемой детали определяют по цвету свечения болванки. Необходимо, чтобы в процессе охлаждения детали температура жидкости оставалась почти неизменной, поэтому масса жидкости должна быть в 30-50 раз большей массы закаливаемой детали. Для интенсивного охлаждения деталь следует перемещать во всех направлениях Тонкие широкие детали нельзя погружать в жидкость плашмя, так как при этом деталь будет коробиться. Структура и свойства закаленной стали в большей степени зависят не только от температуры нагрева, но и от скорости охлаждения. Получение закалочных структур обусловлено переохлаждением аустенита ниже линии PSK, где его состояние является неустойчивым. Увеличивая скорость охлаждения, можно обеспечивать его переохлаждение до весьма низких температур и превратить в различные структуры с разными свойствами. Превращение переохлажденного аустенита может идти как при непрерывном охлаждении, так и изотермически, в процессе выдержки при температурах ниже точки Ar1 (т.е. ниже линии PSK). Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита и скорость его превращения в различные продукты представляют графически в виде диаграмм в координатах «температура-время». В качестве примера рассмотрим такую диаграмму для стали эвтектоидного состава (рис 3). Изотермический распад переохлажденного аустенита в этой стали происходит в интервале температур от Ar1 (727 °С) до Мн (250 °С), где Мн -температура начало мартенситного превращения. Мартенситное превращение в большинстве сталей может идти только при непрерывном охлаждении
Билет №10 Отпуск состоит в нагреве закаленной стали до температуры ниже АC1, выдержке при заданной температуре и последующим охлаждением с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработкой, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Так, осевые напряжения в цилиндрическом образце из стали, содержащей 0,3%С, в результате отпуска при 550 °С уменьшаются с 600 до 80 МПа. Различают следующие три вида отпуска: Низкотемпературный (низкий) отпуск предусматривает нагрев до температур 150-250°С. При этом происходит частичное выделение избыточного углерода из мартенсита, сопровождающееся уменьшением его тетрагональности. После низкого отпуска получают структуру отпущенного мартенсита. За счет снижения внутренних напряжений при низком отпуске повышается прочность и несколько улучшается вязкость стали без заметного снижения ее твердости. Низкий отпуск применяет при обработке инструмента из углеродистых и легированных сталей, для которых необходима высокая твердость (580-600 НВ) и износостойкость – токарных и строгальных резцов, фрез, зенкеров, сверл, измерительного инструмента и т.д. Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350-450°С и назначают главным образом для пружин в рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости. При среднем отпуске происходит распад отпущенного мартенсита на ферритно-цементитную смесь высокой дисперсности, называемую трооститом отпуска; твердость его 350-400 НВ. Высокотемпературный (высокий) отпуск включает нагрев закаленной стали до температуры 500-650°С. При этом происходит укрупнение выделений цементита. Образующуюся структуру называют сорбитом отпуска. Высокий отпуск почти полностью снимает внутренние напряжения и значительно повышает ударную вязкость и пластичность стали, прочность и твердость при этом несколько снижаются.
|