Возврат и рекристаллизация холоднодеформированных металлов и сплавов. Изменение структуры и свойств. Рекристализационный отжиг – выбор режима, назначение.

После пластической деформации (наклепа) металл находится в термодинамически – неуравновешенном состоянии и стремится перейти в более устойчивое. При комнатной Т стр-ра и св-ва не меняются, нужен нагрев (отжиг). В рез-те нагрева сниж. прочность и повыш пластичность.

Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры деформированного металла, т.е. размер зерна и форма не меняется. Протекает при относительно низких Т (примерно 0.3 Тпл). При возврате восстан. э/сопр и плотность, мех. св-ва восст на 10-30%.

Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых зерен с меньшим кол-вом дефектов старения, в рез-те образуются новые, в осн. равноосные зерна.

Три типа рекристаллизации: Первичная, собирательная, вторичная.

Первичная – начинается с образования зародышей новых зерен и заканчивается полным замещением наклепанного металла новой поликристаллической структурой. Снижается прочность, повышается пластичность. Для начала первичной крист. необходимы 2 условия:

1) предварительная деформация металла д.б. больше критической;

2)температура нагрева должна быть выше критич значения, сосавляющего нек долю от Тпл металла: Трек=aТпл. Альфа характеризует чистоту металла.

Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, ме приобретает равновесную структуру.

Собирательная – самопроизвольный процесс укрупнения зерен, образовавшихся на стадии первичной рекристаллизации. С увеличением размера зерна уменьшается сумм пов-ть границ зерен,= и запас избыт пов-ной энергии.

Рост зерен происходит в рез-те перехода атомов от одного зерна к другому через границу раздела. С повышением Т рост ускоряется. Собирательная рекристаллизация останавливается, когда зерна становятся многогранниками с углом 120°.

Вторичная рекристаллизация – неравномерный рост одних зерен по сравн с другими. В рез-те ухудшение механических свойств. Происходит при высоких Т нагрева наклепанного металла.

Отжиг при Т выше Трек (на 150-200°) называется рекристаллизационным. Применяется для снятия наклепа и восстановления пластичности. Чем выше температура отжига – тем крупнее зерно. При выборе режима отжига нужно избегать получения очень крупного зерна и разнозернистости. Скорость нагрева чаще всего не имеет значения.

Высокопрочные легированные стали. Среднеуглеродистые стали, упрочняемые термической и термомеханической обработкой. Мартенситно-стареющие стали – состав, марки, упрочняющая обработка, применение.

Развитие техники требует сталей с «сигма-в»>1500 МПа. Осн недостаток – имеют высокую чувствит. к концентраторам напряжений (надрезам, трещинам, царапинам).

1) Среднеуглеродистые комплексно-легированные низкоотпущенные стали.

После закалки и низкого отпуска уровень прочности зависит только от кол-ва С. Увеличение его до 0.4 повышает «сигма-в» до 2400 МПа,, но тогда угл ст. имеет полностью хрупкое разрушение. Для повышения вязкости добавляют Ni, 1,5-3%. Чем больше его – тем выше порог хладноломкости и больше уровень прочности. Вместе с ним вводят W, Mo, Si, Vn для повышения Т отпуска -> полнее снимаются закал напряжения. Карбидообр эл-ты служат так-же для измельчения зерна. Cr и Mn вводят для прокаливаемости.

Самые распространенные: 30ХГСНА (самолеты), 40ХГСН3ВА, 40ХН2СМА, 30Х2ГСН2ВМ, 30Х5МСФА.

2) Среднеуглеродистые, упрочненные ТМО.

ТМО – пластическая деформация аустенита + закалка (в одном процессе). Такое чудо применимо к ср/угл легир сталям – 30ХГСА, 40ХН, 40ХН2МА, 38ХН3МА и др. Обеспечивается высокая прочность (сигма-в 2000-2800 Мпа при небольших размерах), при достаточном запасе пластичности и вязкости.

В зав-ти от усл деформ аустенита – выше или ниже Трек, различают ВТМО и НТМО (высоко-/низкотемперат.).ВТМО – сталь деформ. выше А3 и сразу закалка, чтоб не допустить рекрист аустенита. При НТМО деформ происх при Т=400-600. Рекрист не происходит, но нужно избегать образ бейнита.

ТМО обоих видов заканчивается низким отпуском при 100-200. В рез-те повышается весь комплекс мех св-в, особенно пластичность и вязкость. Прирост прочности сост 200-500 МПа, пласт. и вязкость увелич. в 2 раза.

НТМО – для легир сталей с устойчивым переохл аустенитом. Выше прочность, технологически сложнее.

ВТМО – для любых конст сталей. Выше пластичность.

3) Мартенситно-стареющие стали.

Особый класс высокопрочных материалов. Конструкционная прочность и технологичность выше, чем у среднеуглеродистых сталей.

Основа – безуглеродистые (<0.03% C) сплавы железа с 8-25% никеля, легированные Co, Mo, Ti, Al, Cr и др эл-ми. Марки 03Н18К9М5Т, 03Н12К15М10, 03Х11Н10М2Т. Высокая прочность достигается за счет 2 мех-мов: мартенситное g - a превращение и старение мартенсита. Мартенситно – стар. стали закаливаются на воздухе при Т=800-860. При нагреве легир эл-ты, облад огранич и перем раствор-ю, переходят в g-раствор из Fe_a. Закалка фиксирует пересыщенный железоникелевый мартенсит. Благодаря выс содерж никеля и кобальта. при малом содерж углерода, дислокации высокоподвижны. Следствие – выс пластичность и вязкость. Основное упрочнение достигается при старении (480-520°), когда из мартенсита выдел мелкодисперсные частицы вторичных фаз (Ni₃Ti, NiAl, Fe₂Mo, Ni₃Mo и др.), когерентно связ с матрицей. Наибольшее упрочнение при старении вызывают Ти и Ал.

Для мартенситно – стареющих сталей характерны выс предел текучести (сигма-в=1600-2100 МПа), более высокий, чем у пружинных спл предел упругости (сигма – 0.002 = 1300 МПа), низкий порог хладноломкости. Малая чувствительность к надрезам, высокое сопротивл хрупкому разрушению. При содержании Хрома от 12% они корроз – стойкие. Высокотехнологичны. Неограниченная прокаливаемость, хорошо свариваются, при термообработке нет коробления и обезуглероживания.

Применяются для ответственных деталей в авиации, ракетной технике, судостроении.

Билет18

1)Диаграмма состояния двойных сплавов для случая образования двойной фазы, фазовый и структурный анализ.

Двойная фаза называется эвтектикой. Эвт реакция протекает по схеме: Ж_с = a_E+b_F, изотермически, и при пост составе реагир фаз, тк в двукомп сплаве существ одновременно 3 фазы. Число степ свободы равно 0. С=К+1-Ф=2+1-3=0. Для эвтектики характерно количественное соотношение фаз a_E/b_F = СF/CE.

 

В областях a и b образуются однородные твердые растворы: a на базе компонента А и b на базе компонента В. Предельная концентрация А в фазе b определяется линией FQ.

Твердый раствор В в А является твердым раствором огранич и переменной растворимости. Линия ЕР – это линия растворимости, которая определяет равновесное содержание раств компонента при изменении температуры. Максимальное содержание компонента В в a-фазе определяется точкой Е и при охлжадении снижается до точки Р.

Рассмотрим превращения сплава I состава х1. После полного затвер­девания в точке 2 кристаллы имеют состав х1 и сохраняют его до точки 3. При дальнейшем охлаждении концентрация компонента В в твердом растворе уменьшается до состава, соответствующего точке Р.

Для данного сплава можно определить фазовое состояние при любой заданной температуре, например при t1.Используя правило определения состава фаз, через точку т проводим горизонтальную линию до пересе­чения с ближайшими линиями диаграммы состояния ЕР и FQ;проекции точек пересечения а и 6 на ось концентрации укажут состав фаз. Твер­дый раствор а имеет состав, соответствующий х_а, а твердый раствор Бета-состав, соответствующий Q. Количественное соотношение Бета- и альфа-фаз при t1 будет определяться соответственно отрезками ат и тb1 (в масштабе всего отрезка аb1). По мере уменьшения концентрации в твердом растворе компонент В выпадает в виде твердого раствора Бетасостава, соответствующего Q. Вы­падающие кристаллы твердого раствора Бета называют вторичными и обо­значают Бета_II этим подчеркивают, что они выпали из твердого раствора, а не из жидкого. Конечная структура данного сплава будет состоять из двух фаз альфа+бета_II(рис. 4.5, а). Твердые растворы альфа, содержащие компонент В в количестве, меньшем Р, при охлаждении ниже линии солидуса А1Е Фазовых превращений не испытывают. Из всех сплавов данной диаграммы выделяется сплав ///, который называется эвтектическим (наиболее легкоплавким). Он кристаллизуется с одновременным выделением двух твердых фаз опре­деленной концентрации: твердого раствора а состава точки Е и твердого раствора Бета состава точки F.

Факторы, влияющие на износостойкость в условиях абразивного изнашивания, в условиях высоких удельных давлений, в условиях кавитации. Износостойкие материалы высокой и невысокой твердости. Состав, марки, применение.

Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхностных слоёв материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изнашивания – износ. Абразивное изнашивание – разрушение поверхности происходит за счет микрорезания, происходящего за счет посторонних включений и неровностей поверхности. При абразивном изнашивании в условиях скольжения относительная износостойкость металлов и сплавов линейно связана с твердостью. Зависимость износостойкости материалов от твердости при различных давлениях на поверхности контакта не меняется. В таких условиях критерием износостойкости является мера сопротивления стали прямому внедрению в нее абразивной частицы, т. е. твердость. На реальность такой гипотезы указывает линейная связь между твердостью стали и ее износостойкостью при ударно-абразивном изнашивании, проявляющаяся в определенных условиях внешнего силового воздействия. Аналогичная зависимость была получена в работе [44]. Однако такая зависимость сохраняется только до определенного значения энергии удара. При увеличении энергии удара наблюдается перелом линейной зависимости износостойкость -^- твердость. По мере удаления от максимума этой зависимости в область более высокой или более низкой твердости износостойкость стали уменьшается.

Кавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация). Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну.

Кавитация разрушает поверхность гребных винтов, гидротурбин, акустических излучателей и др. В местах контакта жидкости с быстро движущимися твердыми объектами (рабочие органы насосов, турбин, гребные винты судов, подводные крылья и т.д.) происходит локальное изменение давления. Если давление в какой-то точке падает ниже давления насыщенного пара, происходит нарушение целостности среды. Или, проще говоря, жидкость закипает. Затем, когда жидкость попадает в область с более высоким давлением, происходит "схлопывание" пузырьков пара, что сопровождается шумом, а также появлением микроскопических областей с очень высоким давлением (при соударении стенок пузырьков). Это приводит к разрушению поверхности твердых объектов. Их как-бы "разъедает". Если зона пониженного давления оказывается достаточно обширной, возникает кавитационная каверна - полость, заполненная паром. В результате нормальная работа лопастей нарушается и возможен даже полный срыв работы насоса. Любопытно, но есть примеры, когда кавитационная каверна специально закладывается при расчете насоса. В тех случаях, когда избежать кавитации невозможно, такое решение позволяет избежать разрушительного влияния кавитации на рабочие органы насоса. Режим, при котором наблюдается устойчивая кавитационная каверна, называют "режимом суперкавитации".

Материалы с высокой твердостью поверхности.

При работе в условиях больших давлений и ударов, наибольшей работоспособностью обладают аустенитные стали с низкой исходной твердостью, но способные из-за высокого деформац. упрочнения (наклепа) формировать высокую твердость поверхности в условиях эксплуатации.

Абразивное изнашивание – ведущими являются процессы многократного деформирования пов-ти скользящими по ней частицами и микрорезанием. Поэтому наибольшей износостойкостью обладают материалы, состоящие из частиц твердой карбидной фазы и удерживающей их высокопрочной матрицы. Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжелых условиях работы.

Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжелых условиях работы в виде литых и наплавочных материалов. Для наплавки на поверх­ность деталей используют прутки из этих сплавов, которые нагревают ацетиленокислородным пламенем или электродугой.

В промышленности используют более ста сложных по химическому составу литых и наплавочных материалов. Они представляют собой спла­вы с высоким содержанием углерода (до 4 %) и карбидообразующих эле­ментов (Сг, W, Ti). В их структуре может быть до 50% специальных карбидов, увеличение количества которых сопровождается ростом изно­состойкости.

Структуру матричной фазы регулируют введением марганца или ни­келя. Она может быть мартенситной, аустенитно-мартенситной и аусте-нитной.

Для деталей, работающих без ударных нагрузок, применяют спла­вы с мартенситной структурой. К ним относятся сплавы типа 250X38, 320Х23Г2С2Т (первые три цифры показывают содержание углерода в со­тых долях процента). Детали, работающие при значительных ударных нагрузках (зубья ковшей экскаваторов, пики отбойных молотков и др.), из­готовляют из сплавов с повышенным содержанием марганца с аустенитно-мартенситной (370Х7Г7С) или аустенитной (110Г13, 300Г34) матрицей.

Для деталей машин, работающих при средних условиях изнашива­ния, применяют твердые сплавы, структура которых состоит из специ­альных карбидов (WС, ТiC, ТаС), связанных кобальтом, а также высоко­углеродистые стали типа Х12, Х12М, Р18, Р6М5 со структурой мартенсит+ карбиды). Эти материалы относятся к инструментальным.

Низко- и среднеуглеродистые стали с различными видами поверх­ностного упрочнения и чугуны применяют для более легких условий из­нашивания. В частности, для деталей, работающих в условиях граничной смазки (гильзы цилиндров, коленчатые валы, поршневые кольца и пр.).

Билет19

Цели легирования конструкционных сталей. Влияние легирующих элементов на механические свойства и прокаливаемость конструкционных сталей. Классификация легированных сталей по структуре в отожженном и нормализованном состоянии.

Легирование – карбидообр эл-ты (Ni, V, Mo, Cr) образуют карбиды при выплавке, задерживают рост зерна при нагреве под закалку в аустените, влияют на мартенсит при высоком отпуске: 1) Задерживают выделение цементита, 2) затрудняют распад мартенсита. Некарбидообр эл-ты (Si, Ni, Mn, Al, Cu) замедляют диффузию.

Все лег эл-ты в феррите обазуют твердорастворное упрочнение по типу замещения, атомы внедрения (C, O, H, N) скапливаются на дислокациях и блокируют их.

Закалка+старение – дисп частицы вторичной фазы создают сильное торможение дислокаций. Дислокации, перемещаясь в пл-ти скольжения, должны перерезать либо огибать частицы.

Марка легированной стали – буквенно-цифровой код ее химического состава.Каждый элемент обозначается заглавной буквой русского алфавита:

а) по первой букве русского названия Н – Ni; В – W; Т – Ti; Х – Cr; М – Mo; Г – Mn; Д – Cu; Ю – Al; А – N; Б – Nb;

б) по первой букве латинского названия С – Si;

в) просто условное обозначение Ф – V;

Марка легированной стали:

Если число соответствующее содержанию углерода двухзначное, то это содержание углерода в сотых долях процента, если в единицах, то это содержание углерода в десятых долях процента.

– низколегированные

– среднелегированные

– высоколегированные

Влияние некоторых основных легирующих элементов на свойства сталей.

1. Никель. Никель образует твердые растворы внутри легированных сталей, повышается прочность стали, ее устойчивость к высоким температурам (никель – сильный аустенизатор).

2. Хром. Если содержание в стали хрома больше 12%, то сталь – нержавеющая (при условии растворения хрома в кристаллической решетке железа). Хром – сильно карбидообразующий элемент. Из-за образования карбидов коррозионная стойкость стали может уменьшаться. В стали 12Х18Н10Т предотвращено образование карбидов хрома на зернах.

3. Вольфрам. Вольфрам повышает твердость и прочность стали. Сильно карбидообразующий элемент. Карбиды вольфрама устойчивы и действуют при температуре выше температуры применения. Вольфрам используют для изготовления инструментальных сталей. 4. Ванадий. Ванадий повышает устойчивость к циклическим нагружениям и высоким температурам. 5. Марганец. Марганец способствует повышению твердости и прочности, обеспечивает высокую вязкость сталей.

6. Кремний – ферритизатор – повышает устойчивость феррита при высоких температурах, то есть такая сталь обладает хорошими электро-магнитными свойствами (феррит – сильный ферромагнетик). Стали с высоким содержанием кремния используются для изготовления сердечников для электроприборов.