Ответы по материаловедению

15. Построение  диаграмм состояния. Критические точки на кривых охлаждения.

Диаграмма состояния - графическое изображение фазовых равновесий в зависимости от температуры и состава. Диаграммы состояния строятся в координатах t-оси ординат и концентрация компонентов – ось абсцисс. Линия АДВ – линия ликвидус. а представляет собой геометрическое место точек соответствующих температурам, при которых из жидкости начинают выпадать кристаллы, следовательно выше линии ликвидус сплав находится в жидком состоянии. Линия СДЕ называется солидус. Она представляет собой геометрическое место точек, соответствующих температурам, при которых жидкая фаза исчезает, следовательно ниже линии солидус сплав находится в твердом состоянии. Между линиями ликвидус и солидус сплав находится в жидко- твердом состоянии, и чем ниже температура относительно линии ликвидус, тем больше кристаллов и меньше жидкой фазы в сплаве. В точке Д из жидкости одновременно начинают выпадать кристаллы компонентов (фаз). 

16. Диаграмма состояния двойной  системы, компоненты которой неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях. Правило фаз и отрезков.

Посредством правила  отрезков можно определить состав фаз  в любой двухфазной области и  количественное их соотношение. Правило  отрезков состоит из двух частей. Первая часть: для того чтобы определить состав фаз через заданную точку в двухфазной области (точка соответствует конкретной температуре) проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими эту область. Проекция точек пересечения на ось концентрации даст нам состав фаз. Вторая часть: для того чтобы определить количество фаз через заданную точку проводят горизонтальную линию до пересечения с линией, ограничивающей эту область. Отрезки между заданной точкой и точками с соответствующим составом фаз обратно    пропорциональны их количеству. Правило фаз действует только в двухфазной области.   

17. Диаграмма  состояния сплава с эвтектическим  превращением и ограниченной  растворимостью компонентов в  твердом состоянии.

Эвтектика –  это механическая смесь двух или более фаз одновременно кристаллизующихся из жидкости.

L, a и b - области  существования жидкой фазы (расплав)  и твердых растворов В в  А и А в В соответственно;

(L + a) и (L + b) - области  сосуществования жидкой фазы  и твердых растворов a и b соответственно;

(a + b) - область  сосуществования двух твердых  растворов. 

Т_АЕТ_В и MEN - линии ликвидуса и солидуса соответственно, E - эвтектич. точка. 
 

18. Компоненты, фазы  и структурные составляющие в  системе Fe-C (Fe-Fe₃C)

выше линии АБСД-жидкость, Ф –  феррит, А-аустенит, Ц – цементит, П – перлит, Л – ледобурит (эвтектика,А+Ц,при низк температурах П+Ц). Компонента 2: жидкость + С, L+ Ц;

фазы: L, Ф, А, Ц, графит, П – эвтектоид (Ф+Ц,перлит) 
Вид линий диаграммы Fe-C зависит от типа образующихся в процессе кристаллизации фаз и от того,какие превращения происходят при охлаждении твердого сплава. Поск-ку С обладает способностью в атомарном виде размещаться в крист решетке железа, то при затвердевании расплава могут образовываться твердые растворы внедрения на основе решеток  2х высокотемпературных  модификаций железа: δ-Fe, (гамма) γ- Fe . Если углерода меньше 0,5 %,то в начале из расплава кристализ-ся δ – твердый раствор, который при последующем охлаждении перекристализ-ся в γ-тверд раствор. В сплавах, содержащих больше 0,5 % ,но меньше 4,3 %, из расплава сразу кристалл-ся γ-тверд раствор. Поскольку он так же как и δ – твердый раствор не может существовать при низких температурах,то γ-тверд раствор при охлаждении превращается  в твердый раствор α (альфа). Т.о. сплавы железа с углеродом могут существовать кристаллы 3х тверд растворов: δ,γ и α, образующихся на основе 3х аллотропических модификаций чистого железа. Алоферрит тверд наз-ся ферритом и содержит больше 0,025 % углерода при темп 727 градусов. По своим св-вам он близок к чистому железу. γ-тверд раствор наз-ся аустенитом и он может содержать в себе до 2,14 % углерода. Помимо тверд раст-ров железа и углерода образуется тверд хим соед-ния Fe₃C – карбид железа (цементит). 

19. Диаграмма состояния  железо-цементит (Fe-Fe₃C)

Ж+F – ферритная область.

F+A – ферритная + аустенитная.

Л – ледебурит 

ЦI – цементит первичный.

Железо – металл, плавящийся при температуре 1539оС и относящийся к полиморфным.

Полиморфизм – это возможность существования металлов в различных кристаллических модификациях.

Цементит – химическое соединение, отвечающее формуле Fe3C - доля C = 6,67%.

Феррит – твердый раствор углерода в a-железе.

Аустенит – твердый раствор углерода в g-железе.

Механическая  смесь феррита и цементита  получила называние перлит.

Механическая  смесь аустенита и цементита  в интервале T=1147 оС – 727 оС получила название ледебурит.

Сплавы железа с углеродом с содержанием  углерода более 2,14% называют чугунами 

20. Классификация видов термической обработки по А.А. Бочвару

Отжиг - формируются близкие к равновесным структуры материалов, в которых неравновесные состояния возникли в результате предшествующих видов воздействия (литье, ковка, прокатка, сварка и т.п.). 
(отжиг первого рода - могут не протекать фазовые превращения, и отжиг второго рода, сопровождающийся фазовыми превращениями (полный и неполный отжиги).

Закалка стали - процесс, при котором металл нагревают до температур, выше температур фазовых превращений и быстро охлаждают для получения неустойчивых состояний. При закалке сталь приобретает высокую твердость. 
Отпуск - предварительно закаленных сталей и сплавов называют технологические операции, проводимые с целью получения более устойчивых структурных состояний. Термин отпуск применяют в тех случаях, когда при закалке материал претерпевает полиморфные превращения. 
Старение - процесс распада пересыщенных закаленных твердых растворов, в которых при закалке полиморфных превращений не происходило. Процесс осуществляется при нагреве металла. 

21. Превращения  стали при нагреве. Наследственно мелкозернистые и крупнозернистые стали.

1. Превращение  перлита в аустенит П à А, происходит при нагреве выше критической температуры А_1, минимальной свободной энергией обладает аустенит.

2. Превращение  аустенита в перлит АàП, происходит при охлаждении ниже А₁, минимальной свободной энергией обладает перлит:

3. Превращение  аустенита в мартенсит АàМ, происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия

4. Превращение  мартенсита в перлит МàП; – происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита. 

В наследственно  мелкозернистой стали при нагреве  до высоких темпера тур (1000-10500 С) зерно увеличивается незначительно, однако при более высоком нагреве  наступает бурный рост зерна. В наследственно крупнозернистой стали, наоборот, сильный рост зерна наблюдается даже при незначительном перегреве выше 7270 С. Различная склонность к росту зерна определяется условиями раскисления стали и её составом

Чем меньше зерно, тем выше прочность (sв, sт, s-1) , пластичность (d, y) и вязкость (KCU, KCT) , ниже порог хладноломкости (t50) и меньше склонность к хрупкому разрушению. Уменьшая размер зерна аустенита, можно компенсировать отрицательное влияние других механизмов упрочнения на порог хладноломкости  

22. Превращение стали при охлаждении. Диаграмма изотермического превращения аустенита. Структуры, получаемые при различных скоростях охлаждения. Обработка холодом.

При медленном  охлаждении эвтектоидной стали формируется  структура пластинчатого перлита. Увеличение скорости охлаждения приводит к понижению критических точек по сравнению с равновесной диаграммой - распад аустенита будет происходить не при температуре 723⁰, а несколько ниже. При этом скорость диффузии уменьшается, частички цементита не успевают вырасти, твердость повышается. Структуры с более мелкими частичками цементита (по сравнению с цементитом перлита) называются сорбитом и троститом. При сравнительно медленных скоростях охлаждения формируются структуры перлита, сорбита и тростита, состоящие из феррита и цементита, которые различаются только размером частичек цементита и твердостью.

Если  скорость охлаждения аустенита настолько  велика, что даже мельчайшие частицы  цементита не успевают выделяться, получается принципиально новый  тип структуры - мартенсит. А ® М. Мартенсит - пересыщенный, переохлажденный твердый раствор углерода в aFe. Мартенситное превращение происходит   только тогда, когда высокотемпературная фаза быстро переохлаждена до низких температур 
 
 

23. Превращения в закаленной стали при нагреве после закалки. Отпуск стали. Назначение. Виды отпуска.

Отпуск  стали — это вид термической обработки, следующий за закалкой и заключающийся в нагреве стали до определенной температуры (ниже линии РSК), выдержке и охлаждении. Цель отпуска — получение более равновесной по сравнению с мартенситом структуры, снятие внутренних напряжений, повышение вязкости и пластичности. Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий  отпуск проводится при температуре 150…200 °С. Происходит увеличение пластичности и вязкости без снижения твердости. Образуется структура мартенсит отпуска. Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также детали, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

При среднем  отпуске производится нагрев до 350…450 °С. Происходит некоторое снижение твердости при увеличении предела упругости и улучшении сопротивляемости действию ударных нагрузок. Структура стали представляет собой тростит отпуска, который имеет зернистое. Применяется для пружин, рессор, ударного инструмента.

Высокий отпуск проводится при 550…650 °С. В результате твердость и прочность снижаются значительно, но сильно возрастают вязкость и пластичность и получается оптимальное для конструкционных сталей сочетание механических свойств. Структура стали — сорбит отпуска с зернистым строением цементита. Применяется для деталей, подвергающихся действию высоких нагрузок. 

24.Технология  технической обработки. Отжиг,  нормализация, закалка.

Отжиг применяется в основном для снижения твердости, чтобы облегчить механическую обработку и снять в стали внутренние напряжения. Температура нагрева при отжиге зависит от содержания в стали углерода. В отожженном состоянии сталь приобретает перлитную структуру.

Нормализация предназначается для улучшения структуры стали, снятия внутренних напряжений и обеспечения лучших условий обработки резанием. Она отличается от отжига тем, что охлаждение производится не в печи, а на воздухе.

После нормализации сталь приобретает также перлитную, но более мелкозернистую и однородную структуру. Твердость и прочность стали при этом выше, чем после отжига.

Закалка заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении в воде, масле, расплавленных солях или на воздухе. Закалка применяется в сочетании с отпуском для повышения твердости, прочности и износоустойчивости стали.

Углеродистые  и легированные стали под закалку  нагреваются в электрических  печах или в соляных ваннах. В результате закалки сталь получает мелкозернистую структуру, в которой преобладает мартенсит — самая твердая и хрупкая структура.

При быстром  охлаждении во время закалки в  металле возникают внутренние напряжения, которые могут вызвать трещины, коробление и хрупкость. Эти дефекты  устраняют последующим отпуском. 

25.Химико-термическая  обработка. Цементация  и азотирование. Термическая  обработка после  цементации. 

ХТО - это  процесс изменения химического состава, структуры и свойств поверхности стальных деталей за счет насыщения ее различными химическими элементами. При этом достигается значительное повышение твердости и износостойкости поверхности деталей при сохранении вязкой сердцевины.