ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 1

 

1 Основные характеристики железа и углерода. Диаграмма состояния железо-цементит и ее анализ. Фазы, структурные составляющие, образующиеся по этой диаграмме, их свойства;

 

Железо - металл серебристо-белого цвета. Температура плавления – 1539 °С. Атомный номер 26, атомный радиус 0,127 нм. Технические сорта железа содержат 99,8 – 99,9 % Fe. Железо имеет две полиморфные модификации α и γ. Модификация α существует при температурах ниже 911 °С и выше 1392 °С. Для интервала 1392 – 1539 °С α-железо нередко обозначают как δ-железо. Кристаллическая решетка α-железа - объемно центрированный куб (ОЦК) с периодом решетки 0,28606 нм. Плотность α-железа 7,68 Мг/м3. Вторая модификация γ-железо (Feγ) существует при температуре 911 - 1392 °С. Кристаллическая решетка - гранецентрированная кубическая (ГЦК) с периодом 0,3645 нм. Механические свойства железа технической чистоты: σb=250 МПа, σт=120 МПа, δ = 50%, НВ=800 МПа.

Углерод - неметаллический элемент II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 Мг/м3, температура плавления 3500 °С, атомный радиус 0,077 нм. В обычных условиях углерод находится в виде модификации графита, но может существовать в виде алмаза.

Феррит (Ф) - твердый раствор углерода и других примесей в ОЦК-железе. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,031 нм, а также в дефектах кристаллической решетки. Предельная растворимость углерода в α-феррите 0,02% при температуре 727 °С и менее 0,01% при комнатной температуре, растворимость в δ–феррите - 0,1 %. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических (многогранных) зерен. Твердость и прочность феррита невысоки (σb=250 МПа, НВ=800 МПа).

Аустенит (А) - твердый раствор углерода и других примесей в γ-железе. Предельная растворимость углерода в γ-железе - 2,14 % при температуре 1147 °С и 0,8 % при 727 °С. Атом углерода располагается в центре куба, в котором может разместиться сфера радиусом 0,051 нм, и в дефектных областях кристалла.

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом - карбид железа Fe3C, содержащий 6,67 % С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена (около 1260°С). К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость (НВ- 8000 МПа) и очень малая пластичность (δ около 0%).

Графит (Гр) имеет гексагональную слоистую кристаллическую решетку. Межатомные расстояния в слоях небольшие (0,142 нм), расстояние между плоскостями - 0,340 нм. Графит мягок, обладает низкой прочностью.

По оси абсцисс на диаграмме приведено содержание углерода и цементита.На диаграмме имеется восемь однофазных участков: на ле­вой оси ординат отрезок ANсоответствует α(δ)-железу, отрезок NG — γ-железу, отрезок ниже точки G— α-железу.

Так как каждая из этих модификаций железа взаимодейству­ет с углеродом, то диаграмму состояния можно рассматривать как трехэтажную, состоящую из частей. Все модификации железа образуют с углеродом твердые растворы внедрения.

Правая ордината DFKL диаграммы FeFe3C соответствует цементиту. Область выше линии ликвидус ABCDсоответствует жидкому состоянию (Ж).

Сложный вид диаграммы FeFе3С объясняется тем, что же­лезо обладает полиморфными превращениями в твердом виде. Полиморфизм железа обусловливает и полиморфные превраще­ния в железоуглеродистых сплавах.

В железоуглеродистых сплавах возможны три превращения, при которых число степеней свободы равно нулю, т. е. имеет место сосуществование трех фаз.

При 1499 °С (линия HJB, Ж+δ→А) имеет место перитектическое превращение.

При 1147 °С[линия ECF, Ж4,3→Э(А+Ц) – ледебурит (Л)] имеет место эвтектическое превращение.

В результате эвтектического превращения образуется эвтектическая смесь аустенита и цементита, которая называется ледебуритом.

При 727 °С[линия PSK, А0,8→Э(Ф+Ц)-перлит] имеет место эвтектоидное превращение.

В результате этого превращения образуется эвтектоидная смесь феррита и цементита, которая называется перлитом.

Линия ABCD является линией ликвидус, и по этой линии изменяется составжидкой фазы при кристаллизации сплавов. Линия AHJEF – линия солидус, в соответствии с которой изменяется состав кристаллизующейся фазы.

Линии HN и JN показывают температуры начала и конца перекристаллизации феррита (Ф) в аустенит (А). В соответствии с этими линиями изменяется состав феррита и аустенита при изменении температуры сплава. Линия GS характеризует темпе­ратуру начала, линия GP — конца превращения аустенита в феррит. В соответствии с этими линиями изменяется состав аустенита и феррита при изменении температуры сплава. Линии IE и ES характеризуют предельную растворимость углерода в аустените в зависимости от температуры.

В соответствии с диаграммой FeFe3C железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода меньше 2,14 % называются сталями, сплавы с содержанием углерода больше 2,14 % — чугунами.

По количеству углерода и по структуре стали подразделяются на: доэвтектоидные (0,02 % < С < 0,8 %), структура перлит + феррит (П+Ф); эвтектоидные (С=0,8 %), структура перлит (П); заэвтектоидные (0,8 % < С < 2,14 %), структура перлит + вторичный цементит (П+ЦII).

По количеству углерода и по структуре белые чугуны подразделяются на: доэвтектические (2,14 % < С < 4,3 %), структура ледебурит+перлит+вторичный цементит (П+Л+ЦII); эвтектические (С=4,3 %), структура ледебурит (Л); заэвтектические (4,3 % < С < 6,67 %), структура ледебурит+цементит (Л+ЦI).

 

2 Цементация, ее назначение и виды. Механизм образования цементационного слоя и его свойства. Стали, назначаемые на цементацию. Термическая обработка после цементации.

 

Конструктивная прочность многих деталей машин зависит от состояния материала в поверхностных слоях деталей. Поэтому повышению поверхностной прочности (при сохранении необходимой вязкости) деталей машин приходится уделять большое внимание.

Цементация – один из видов химико-термический обработки. Она заключается в насыщении поверхностного слоя детали атомами углерода. Для деталей используют низкоуглеродистые стали с 0,1 – 0,25 % С, обладающие высокой вязкостью в исходном состоянии.

Различают два основных способа цементации: в твердой или газовой среде (карбюризаторе). При цементации в твердом карбюризаторе изделия с припуском на шлифование укладывают в металлические ящики и пересыпают древесным углем с добавками углекислых солей. Сверху ящик закрывают крышкой и щели замазывают огнеупорной глиной. Ящики укладывают в печь и выдерживают при температуре 930 – 950 °С. При этой температуре за счет кислорода воздуха, находящегося между кусочками карбюризатора,происходит неполное горение угля и образуется окись углерода, которая далее разлагается с образованием активного атомарного углерода. Образую­щиеся атомы углерода адсорбируются поверхностью изделий и диффун­дируют вглубь металла. Углекислые соли в карбюризаторе при наг­реве разлагаются и активируют процесс, пополняя количество атомар­ного углерода.

Глубина цементованного слоя составляет обычно около 0,5-1,5мм, а содержание углерода в нем достигает до 1-1,2 %, на что требует­ся значительное время - примерно 1 час на каждые 0,1-0,12 мм тол­щины слоя.

Газовую цементацию ведут в смеси газов-углеводородов: метана, этана, бутана и др., а также окиси углерода. Такие газы и их смеси получают в специальных газогенераторах, а также непосредственно из газовой магистрали. Процесс насыщения из газовой среды идет пример­но вдвое быстрее, чем из твердого карбюризатора. Дальнейшего уско­рения процесса цементации можно достигнуть, нагревая детали в га­зовой среде с помощью высокочастотного индуктора и повышая при этом температуру по сравнению с обычной.

Достоинством газовой цементации по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе является также и улучшение качества де­талей вследствие уменьшения перегрева.

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающую от поверхности к сердцевине детали. В связи с этим после медленного охлаждения цементованной детали структура ее поверхностного слоя соответствует заэвтектоидной стали и плавно переходит в структуру малоуглеродистой сердцевины.

После диффузионного насыщения необходима термическая обра­ботка деталей, которая устраняет последствия перегрева деталей при цементации, повышает твердость поверхности и устраняет цементитную сетку. Так как цементованные детали содержат различ­ное количество углерода в наружном слое (до 1,2 % С) и в серд­цевине (менее 0,25 % С), то для получения оптимальных свойств деталей ТО должна состоять из трех этапов:

1)                первая закалка (или нормализация) с 880 – 900 °С для устране­ния последствий перегрева, получающегося при длительной выдержке деталей в печи;

2)                вторая закалка с 760 – 780°С для придания цементованному слою максимальной твердости;

3)                низкий отпуск при 160 – 180 °С для выравнивания остаточных напряжений.

Двойная закалка дает наилучшие механические свойства, но вызывает большие внутренние напряжения и деформацию деталей, особенно в тех случаях, когда детали имеют сложную конфигурацию или если они изготовлены из легированной стали. Поэтому часто предпочитают производить только одну закалку с 820-860 °С с последующим низким отпуском. Это особенно целесообразно после газовой цементации, когда перегрев стали не велик, а такие при обработке мелкозернистых сталей, устойчивых против перегрева.

Для деталей, от которых требуется только поверхностная твердость, а остальные механические свойства не имеют большого значении, применяют закалку непосредственно с цементационного нагрева, т.е. от 900 – 950 °С с подстуживанием перед закалкой до 750 – 800°С. Выросшее при цементации зерно аустенита дает крупноигольчатый мартенсит в поверхностном слое и крупнозернистую структуру в сердцевине. Такую обработку рекомендуется назначать только после газовой цементации и для наследственно мелкозернистых сталей.

Твердость цементованной поверхности после термообработки обычно не ниже HRC 58 - 64.

Наряду с нелегированными низкоуглеродистыми сталями применяют малоуглеродистые (до 0,25 % С) низколегированные стали, содержащие никель, хром, вольфрам, титан и др. Применение легиро­ванной стали повышаетпрочность сердцевины деталей, но не дает каких-либо преимуществ по свойствам цементованной поверхности.

 

3 Термическая обработка алюминиевых сплавов. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой.

 

Деформируемые сплавы подразделяют на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. Границей между этими сплавами является предел насыщения твердого раствора при комнатной температуре.

К деформируемым, неупрочняемым термической обработкой, относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием (АМг2 – АМг6). Они обладают высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью, не упрочняются термической обработкой. Упрочнение таких сплавов достигается за счет образования твердых растворов Мn и Мg в Al и наклепа при обработке давлением. Поставляются в виде листового проката или прессованного материала. Из этих сплавов изготавливают строительные конструкции, емкости для жидкостей.

 К деформируемым, упрочняемым термической обработкой, относятся дюрали, ковочные, жаропрочные, высокопрочные алюминиевые сплавы и др. Типичные представители сплавов - дуралюмины (маркируют буквой Д). Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности и относятся к сплавам системы Аl-Сu-Мg, в которые дополнительно вводят марганец, повышающий коррозионную стойкость и улучшающий механические свойства. Примеси Fe и Si нежелательны (ограничивают до 0,5 %). Наибольшее распространение получили Д1, Д16.

Для упрочнения дюрали используют закалку с последующим старением. Закалка состоит в нагреве сплавов до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или почти полностью растворяются в алюминии. После нагрева следует выдержка, далее следует быстрое охлаждение (вода). Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы зафиксировать пересыщенный α-твердый раствор, содержащий меди столько, сколько ее содержится в сплаве. После закалки дюраль обладает высокой пластичностью (до 25%), низкой твердостью и прочностью. Это позволяет производить холодную обработку давлением таких сплавов.Пересыщенный α-твердый раствор является неустойчивым. И из него самопроизвольно начинает выделяться избыточная мелкодисперсная интерметаллидная фазаCuAl2. Этот процесс носит название – старение. Если старение происходит при комнатной температуре, то оно – естественное, и зонное. Упрочняющий эффект при естественном старении достигается на 5 – 6 сутки. Перед старением у всех сплавов существует так называемый инкубационный (латентный) период – когда процесса распада не происходит (тогда и осуществляют обработку давлением). Если закаленный сплав нагреть до температуры 150 – 200 °С, то упрочнение произойдет через 10 – 20 ч. Такое старение получило название искусственное или фазовое. Естественное старение для дюрали более предпочтительно, поскольку обеспечивает более высокую коррозионную стойкость. Процесс упрочнения сплава при естественном старении связан с образованием зон Гинье-Престона (ГП-1). Механизм образования зоны ГП-1: за счет теплового движения атомы меди перемещаются внутри α-твердого раствора на небольшие расстояние и собираются в двумерные пластинчатые образования, которые вызывают местные искажения кристаллического строения, и соответсвенно, изменение свойств. При искусственном старении образуются зоны ГП, но большей величины, которые получили название ГП-2. Дальнейшее повышение температуры и времени выдержки приводит к образованию промежуточных фаз в местах зон ГП-2 – CuAl2, еще не обособившихся. Еще большие температура и время выдержки – идет стабильное образование CuAl2, которые обособляются от α-твердого раствора. Смещение на графике максимумов кривых происходит из-за ускорения диф. процессов, а снижение максимумов с преждевременным образованием интерметаллидов CuAl2.

Так как коррозионная стойкость дуралюмина невысокая, то для защиты от коррозии его покрывают (плакируют) чистым алюминием. Состаренный сплав можно возвращать к свежезакаленному состоянию если нагреть его до 200 – 250 °С и произвести быстрое охлаждение (явление возврата). Сварное соединение дюрали имеет прочности ниже прочности основного металла, поэтому листы дюрали соединяют заклепками.

Дуралюмины находят широкое применение в авиастроении, автомобилестроении, вагоностроении, строительстве. Прочность таких сплавов может достигать 500-600 МПа при относительном удлинении 8-12 %.