Билет 8.1

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Диаграмма состояния и кривые охлаждения типичных сплавов системы представлены на рисунке.

1. Количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В);

2. Число фаз: f = 3 (жидкая фаза и кристаллы твердых растворов  (раствор компонента В в компоненте А) и  ( раствор компонента А в компоненте В));

3. Основные линии диаграммы:

линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке

линия солидус аdcfb, состоит из трех участков;

dm – линия предельной концентрации компонента В в компоненте А;

fn – линия предельной концентрации компонента А в компоненте В.

  4. Типовые сплавы системы.

 При концентрации компонентов, не превышающей          предельных значений (на участках Аm и nВ), сплавы     кристаллизуются аналогично сплавам твердым растворам с неограниченной растворимостью (до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации твердого раствора . На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. На участке 1–2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкой и кристаллов твердого раствора ) число степеней свободы будет равно единице . При достижении температуры соответствующей точке 2, сплав затвердевает, при дальнейшем понижении температуры охлаждается сплав в твердом состоянии, состоящий из однородных кристаллов твердого раствора). При концентрации компонентов, превышающей предельные значения (на участке dcf), сплавы кристаллизуются аналогично сплавам механическим смесям (до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации избыточного компонента В. На кривой охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. На участке 1–2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз (жидкой и кристаллов компонента В) число степеней свободы будет равно единице. При охлаждении состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус до эвтектического. На участке 2–2’ кристаллизуется эвтектика (см. кристаллизацию эвтектического сплава). Ниже точки 2’ охлаждается сплав, состоящий из кристаллов первоначально закристаллизовавшегося избыточного компонента В и эвтектики).

 

IMG_0004Оба комп-та неограниченно растворимы в жидком состоянии, ограниченно растворимы в тв. и не образуют хим. соединений. Комп-ами являются: вещества A и B; фазами: жидкость L и тв. растворы α и β. Кристаллы βII выделяются из тв. раствора наз-ся вторичными кристаллами, в отличии от первичных β кристаллов выделяющихся их L. Правило отрезков: из заданной точки диаграммы состояния необходимо провести отрезок горизонтали влево и вправо до пересечения с границами ближайших однофазных областей, а затем на этом отрезке необходимо отметить все его точки контакта с однофазными областями

Билет 8.2

29. Методы поверхностного упрочнения. Поверхностная закалка, ее виды и область применения. Индукционный нагрев токами высокой частоты. Особенности, достоинства и недостатки. Основными методами поверхностного упрочнения стальных деталей являются: поверхностная закалка; ХТО; плазменная обработка; наклеп методом пластической деформации; жидкая металлизация. Наибольшее распространение имеют электротермическая закалка с нагревом изделий ТВЧ и газопламенная закалка с нагревом газово-кислородным или кислородно-керосиновым пламенем.

(8.2)       Поверхностной называется такая закалка, при которой высокую твердость приобретает лишь часть поверхностного слоя стали или сплава. Она отличается от других способов закалки методом нагрева. При такой обработке до температуры закалки нагревают только поверхностный слой изделия. Причем при быстром охлаждении лишь этот слой подвергается закалке. Остальная часть не закаливается и сохраняет структуру и свойства, которые были до закалки. В настоящее время наибольшее распространение получила поверхностная закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты. Этот метод термической обработки создает предпосылки для комплексной механизации и автоматизации процесса закалки.Поверхностная закалка применяется в изготовлении деталей машин, работающих в условиях изнашивания, работающих при изгибающих нагрузках, в условиях циклического действия нагрузок.

Закалка ТВЧ: метод нагрева ТВЧ основан на том, что если в переменное эл/м поле создаваемое проводником индуктором поместить Ме деталь, то в ее поверхностных слоях будут индуктироваться вихревые токи, вызывающие нагрев поверхности Ме. Систему индуктор – нагреваемая деталь, можно рассмотреть, как трансформатор. Первичной

IMG_0005

 обмоткой, которого является индуктор, а вторичной контур тока в Ме детали. В этой системе происходит без контактная передача эл. энергии из 1-ой цепи индуктора во 2-ую цепь нагреваемая деталь. Мощность передаваемая поверхности идущая на разогрев: P=kI²√ρμf, где P – мощность выделяемая в нагреваемой детали, I – сила тока, ρ – удельное сопротивление детали, μ – магнитная проницаемость детали, f – частота тока, k – коэффициент учитывающий размер индуктора и детали. Повышение частоты тока позволяет концентрировать в небольшом объеме Ме значительную мощность и выполнять индукционный нагрев с большой скоростью 300-500°С в секунду. При закалке ТВЧ охлаждение производят с помощью спрееров. Охлаждающая жидкость: вода или водные растворы полимеров. Для закалке ТВЧ используют среднеуглеродистые стали (0,4-0,5% С). Перед закалкой ТВЧ сталь подвергают термическому улучшению (закалка+высокий отпуск). Это необходимо, чтобы сердцевина изделия была вязкой и пластичной. После улучшения сердцевина сорбит. После ТВЧ пов. М, серд. Сор. После закалки ТВЧ следует низкий отпуск, после на пов. М отпуска, серд. Сор.

                В крупносерийном и массовом производстве при установившемся технологическом процессе, когда длительное время изготавливаются одни и те же изделия из стали определенных марок например ведущие колеса гусеничных тракторов, используется поверхностная закалка в электролите – 14–16 %-ном водном растворе кальцинированной соды. Закаливаемое изделие присоединяют к отрицательному полюсу генератора постоянного тока и опускают в ванну с электролитом.

                   Погруженное на заданную глубину изделие нагревается за несколько секунд, после чего ток выключают. Как правило, тот же электролит является и охлаждающей средой.

                  При нагреве в электролите происходят электролитические и электроэрозионные процессы, которые очищают нагреваемую поверхность изделий от окисных пленок, ухудшающих теплопередачу. Скорость нагрева в электролите – до + 150 °C/с.

                 Существует еще метод импульсной поверхностной закалки. При нем применяют высокочастотные генераторы, работающие в импульсном режиме, конденсаторы, аппаратуру для точечной сварки или лазерные установки. Такая закалка позволяет исключить деформации, трещины, повысить коррозионную стойкость деталей, заменить в некоторых случаях легированную сталь на углеродистую.

                 Кроме вышеперечисленных способов поверхностной закалки, применяется поверхностная закалка в псевдоожиженной среде. Псевдоожиженная среда («кипящий» слой) представляет собой твердые частицы кварцевого песка или другого сыпучего материала, интенсивно перемешиваемого воздушным или газовым потоком. Эту же среду используют и для охлаждения.

Применение

Сверхчистая бесконтактная плавка, пайка и сварка металла.Получение опытных образцов сплавов.Гибка и термообработка деталей машин.Ювелирное дело.Обработка мелких деталей, которые могут повредиться при газопламенном или дуговом нагреве.Поверхностная закалка.Закалка и термообработка деталей сложной формы.Обеззараживание медицинского инструмента.

Преимущества

Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной (или восстановительной) среде, в непроводящей жидкости, в вакууме.Нагрев через стенки защитной камеры, изготовленной из стекла, цемента, пластмасс, дерева — эти материалы очень слабо поглощают электромагнитное излучение и остаются холодными при работе установки. Нагревается только электропроводящий материал — металл (в том числе расплавленный), углерод, проводящая керамика, электролиты, жидкие металлы и т. п.За счёт возникающих МГД усилий происходит интенсивное перемешивание жидкого металла, вплоть до удержания его в подвешенном состоянии в воздухе или защитном газе — так получают сверхчистые сплавы в небольших количествах (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле).Поскольку разогрев ведётся посредством электромагнитного излучения, отсутствует загрязнение заготовки продуктами горения факела в случае газопламенного нагрева, или материалом электрода в случае дугового нагрева. Помещение образцов в атмосферу инертного газа и высокая скорость нагрева позволят ликвидировать окалинообразование. Удобство эксплуатации за счёт небольшого размера индуктора. Индуктор можно изготовить особой формы — это позволит равномерно прогревать по всей поверхности детали сложной конфигурации, не приводя к их короблению или локальному непрогреву. Легко провести местный и избирательный нагрев. Так как наиболее интенсивно разогрев идет в тонких верхних слоях заготовки, а нижележащие слои прогреваются более мягко за счёт теплопроводности, метод является идеальным для проведения поверхностной закалки деталей (сердцевина при этом остаётся вязкой). Лёгкая автоматизация оборудования — циклов нагрева и охлаждения, регулировка и удерживание температуры, подача и съём заготовок.

Недостатки

Повышенная сложность оборудования, необходим квалифицированный персонал для настройки и ремонта. При плохом согласовании индуктора с заготовкой требуется бо́льшая мощность на нагрев, чем в случае применения для той же задачи ТЭНов, электрических дуг и т. п.

 

8.3 Виды коррозии. Основные принципы создания коррозионно-стойких сталей. Хромистые и хромоникелевые нержавеющие стали, их структура и термическая обработка.

Коррозия – это разрушение материала под воздействием окружащей среды. Виды: 1). химическая. При химической коррозии процесс окисления поверхности наиболее интенсивно протекает при повышении t. 2). электрохимическая – процесс протекающий в жидких электролитах. Разновидности ЭХК: атмосферная, морская, почвенная, щелочная, кислотная. 3). биохимическая – процесс происходящий под воздействием различных микроорганизмов. Характеры коррозии:

IMG_0010IMG_0009

 1). общая кор-ия: 1.1). равномерная; 1.2). неравномерная. 2). местная кор-ия: 2.1). точечная; 2.2). пятнистая. 3). межкристаллитная. Стали устойчивые против ЭХК наз-ся коррозионностойкие. Данные стали должны иметь положительный электрохимический потенциал и желательно однофазное строение. Введение в сталь 13% Cr и более повышает электрохимический потенциал Fe. Хромистые стали: хромистые нержавеющие стали применяются 3 видов: 13, 17, 27 % Cr. кроме того стали содержащие 17, 27 % Cr имеют добавки Ti и Ni. В зависимости от содержания С различают структурные классы: 1). ферритные; 2). мартенситно-ферритные; 3). мартенситные. Кор. стойкость стали повышается за счет ТО: закалка 1000-1500°С + высокий отпуск (700-800°С) для мартенситного класса t отпуска 200-300°С. Хромоникеливые стали: введение достаточного кол-ва Ni в сталь содержащую больше 13% Cr переводит ее в однофазное аустенитное состояние, что дополнительно повышает кор. стойкость и улучшает мех-ие св-ва. CrNi стали подразделяются на: 1). аустенитный класс; 2). аустенитно-мартенситный класс; 3). аустенитно-ферритный класс. В CrNi сталях могут образовываться карбиды Cr23C6, что приводит к охрупчиванию стали и появлению межкристаллической коррозии. Устранению этой коррозии способствует введение Ti и необия, обладающих большим сродством к С, чем к Cr. в результате этого образовываются карбиды TiC и NbC. ТО увеличивает кор. стойкость: закалка 1050-1100°С, отпуск не проводится.

Хромистые нержавеющие стали.

Хромистые нержавеющие стали являются самыми дешевыми и поэтому самыми распространенными. Минимальное содержание Cr 13%. При содержании Cr больше 13% стабилизируется α - фаза (феррит) и никаких полиморфных превращений в таких сталях не происходит. Нагрев вызывает только увеличение зерна. Длительная выдержка при температуре около 600-650º С вызывает появление в сталях интерметаллидной фазы. Образование такой фазы сильно охрупчивает сталь, поэтому является нежелательной. Медленное охлаждение или длительная выдержка при 500º С вызывает образование упорядоченного твердого раствора, что также вызывает хрупкость стали. Такую хрупкость называют 475ºной хрупкостью. Увеличение температуры выше 1000º С вызывает бурный рост зерна и как следствие снижение вязкости, т.е. сталь тоже становится хрупкой. Поэтому при всех вариантах изготовления деталей из этих сталей и их термообработки необходимо избегать температурных интервалов, при которых возможно охрупчивание и потеря вязкости.

Термообработка хромистых сталей.

Термообработка сталей в зависимости от необходимости может быть смягчающей, т.е. отжиг или упрочняющей, т.е. закалка + отпуск. Отжиг проводится либо для устранения хрупкости, либо для снятия наклепа, либо для стабилизации химического состава и устранения склонности стали к межкристаллитной коррозии. Для устранения хрупкости, вызванной появлением упорядоченного твердого раствора, применяют отжиг с нагревом 500-550º С. Время выдержки должно быть меньше, чем τminпри появлении хрупкости 475º. Скорость охлаждения 10º С в минуту. Для устранения наклепа, а так же σ-фазы применяют второй вариант отжига с температурой 850-900º С. Скорость охлаждения 10º С в минуту. Третий вариант отжига применяется для массивных деталей, когда требуется стабилизировать содержание Cr по сечению детали, чтобы избежать склонности стали к межкристаллитной коррозии. Выдержка от 2 до 4 часов. Для хромистых сталей мартенситного класса применяют упрочняющую термообработку: закалка + отпуск. Возможно применение одной закалки без отпуска, если деталь небольших размеров или охлаждение идет на воздухе. Для хромистых сталей мартенситного класса охлаждение в любом случае дает мартенситную структуру. Поэтому применение охлаждающих сред (вода, масло) не требуется. Лишь охлаждение печью вызывает ферритно-карбидную структуру. Такой же структуры можно добиться после закалки и отпуска при температуре 650º С.

Наибольшая твердость достигается после закалки. В этом состоянии сталь обладает наивысшей коррозионной стойкостью, т.к. Cr находится в твердом растворе. Если требуется сохранить твердость и коррозионную стойкость, то отпуск стали проводят при температуре 250-350º С. А если требуется повышенная вязкость, то проводят высокий отпуск (650º С)

 

Состав, структура и свойства хромистых сталей.

Основные легирующие элементы:

Cr- 13-28%.

 С - 0,05-1%.

 Ti, Nb< 1% - вводятся для стабилизации стали.

 Ni, Cu, Mo- вводятся для повышения коррозионной стойкости и вязкости.

Хромистые стали делят на:

Cr 13%.

Cr 17%.

Cr 25-27%.

Увеличение содержания углерода вызывает в хромистых сталях мартенситное превращение, так же появление карбидов. Чем больше карбидов и С, тем 

По содержанию углерода стали делят на:

Стали ферритного класса (08Х13, 08Х17, 05Х27).

 Стали ферритно-мартенситного класса (12Х13).

Стали мартенситного класса (20Х13, 30Х13, 40Х13).

Стали с мартенситом + карбиды (65Х16, 95Х18Ш).

В зависимости от структуры стали изменяются ее свойства и назначение. Стали ферритного класса из всех хромистых отличаются наилучшей пластичностью. Из них изготавливают листы и другие полуфабрикаты для изготовления деталей с применением сварки. Из всех хромистых стали ферритного класса хорошо поддаются сварке. При использовании стали следует помнить, что она может охрупчиваться при медленном охлаждении, а так же при увеличении зерна. Поэтому в эти стали добавляют Tiи Nb, которые образуют карбиды. Такие стали называют стабилизированными. Для сталей ферритного класса применяют отжиг в разных вариантах - 1, 2, иногда 3.

Стали мартенситного класса отличаются высокой твердостью и прочностью, поэтому их используют для изготовления деталей, которые должны сохранять высокую прочность и твердость при работе в агрессивных средах. Для таких сталей проводят закалку + низкий отпуск.

Стали со структурой мартенсит + карбиды имеют большое количество карбидов хрома. Они используются для изготовления деталей, которые работают в агрессивных средах при температуре от -150 до +250º С. Твердость 57 HRC. Термообработка: закалка (1000-1150º С - воздух) + отжиг (250-350º С).

Хромоникелевые стали.

Если сталь кроме Cr содержит еще Ni, Mn, Mo, то ее структура из ферритной может измениться на ферритно-аустенитную или даже на чистую аустенитную. Т.е. после охлаждения на воздухе сталь сохраняет аустенитную структуру, которая не меняется ни при каких вариантах термообработки. При содержании Ni>10% сталь становится аустенитной. Аустенит позволяет получить не только коррозионную стойкость, но так же и высокие технические свойства. Сталь хорошо поддается обработке давлением, сварке, сохраняет свойства до 600-700º С, не охрупчивается, не чувствительна к хладноломкости, но сталь склонна к межкристаллитной коррозии и ее невозможно упрочнять закалкой. Термообработка: закалка + отжиг.

И после закалки и после отжига структура одинаковая, одинаковые и свойства. Закалке подвергают тонкостенные изделия простой формы и небольшого размера. Температура и закалки, и отжига одинакова и зависит от состава стали. Если сталь содержит только Cr,  Ni, то температура не должна превышать 950-1000º С. Увеличение температуры вызывает резкий рост зерна и снижение характеристик. Охлаждение при закалке должно быть таким, чтобы не попасть в область выделения карбидов Cr. Уменьшения стоимости хромоникелевых сталей можно добиться, если вместо Niвводить Mn.

Для того, чтобы стабилизировать структуру, необходимо, чтобы Cr<15%, Mn>15%. Если условие не выполняется, то мы получаем сталь с неустойчивым структурным состоянием. Для получения стабильной аустенитной структуры Niзаменяют частично (10Х14Г14Н4Т, 20Х13Н4Г9). Термообработка принципиально не отличается от термообработки хромоникелевых сталей. Такой недостаток хромоникелевых сталей, как склонность к росту зерна, можно устранить, используя для сварных деталей стали ферритно-аустенитного класса (15Х22Н5М5Т) или аустенитно-мартенситного класса (08Х15Н5Д2Т). Стали аустенитно-мартенситного класса обладают повышенной твердостью. Чисто аустенитные стали склонны к коррозии под напряжением. Даже самые лучшие аустенитные стали оказываются недостаточно стойкими при контакте с кислотами. Поэтому разработаны коррозионно-стойкие сплавы:

Fe - Ni - Cr (04ХН40МДТЮ).

Ni- Cr  (ХН45В).

Ni- Mo  (Н70МФ).

Cr - Ni - Mo  (ХН65МВ).