Контрольная работа по "Металлургии"

Содержание:

 

1	6. Раскройте механизм  образования кристаллов. Поясните  зависимость свойств металлов  от величины зерна.	2
2	14. Раскройте сущность  определения твердости металлов  по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу. Условные  обозначения твердости.	10
3	59. Раскройте сущность новых специальных способов литья: литье методом жидкой прокатки и жидкая и полужидкая штамповка. Объясните особенности технологии, область применения, используемое оборудование и оснастка, номенклатура сплавов и отливок.	18
4	76. Раскройте сущность процессов сварки давлением. Основные виды сварки давлением, их особенности, оборудование, область применения.	21
5	98. Расшифруйте марки  материалов в соответствии с  изученным алгоритмом: 9Х1, 25ХГСА, У12А, 12ХН3А, Л96, Т14К8, ШХ9, КЧ33-8, Р9, СЧ21.	42
6	110. Начертите диаграмму  состояния «железо-цементит». Обозначьте  основные точки и линии диаграммы,  структурные составляющие железоуглеродистых  сплавов. Постройте кривую охлаждения  сплава, с содержанием углерода 0,55%, проведите фазовый анализ сплава при охлаждении в соответствии с изученным алгоритмом.	43

 

 

 

1. Раскройте механизм образования кристаллов. Поясните зависимость свойств металлов от величины зерна.

 

Кристаллизацией называется процесс образования кристаллов при изменении агрегатного состояния металлов (сплавов) из жидкого в твердое — это первичная кристаллизация, в течение которой формируется кристаллическая решетка. В процессе остывания уже затвердевших сплавов возможна вторичная кристаллизация — это перекристаллизация из одной модификации в другую, распад твердых растворов, распад или образование химических соединений.

Основы кристаллизации разработаны русским ученым Д.К. Черновым, который впервые доказал, что сталь является кристаллическим  телом, и основал теорию последовательной кристаллизации в две стадии: 1) образование мельчайших частиц кристаллов (зародышей или центров кристаллизации); 2) рост кристаллов вокруг этих центров. На рис. 1 (а-е), изображены последовательные этапы зарождения первичных центров кристаллизации в условиях переохлаждения жидкого сплава и дальнейшего роста зародышей кристаллов за счет атомов жидкой фазы. Отмечается послойный рост граней кристаллов до момента их соприкосновения, в результате чего нарушается правильная форма кристаллов. По окончании процесса кристаллизации образуется структура сплава в виде зерен — кристаллов с неправильной геометрической формой, называемых кристаллитами.

Рис. 1. Схема процесса кристаллизации: а-е – последовательные этапы процесса

 

Величина зерен зависит  от числа зародышей кристаллизации и скорости их роста. На рис. 2 схематично показано влияние скорости охлаждения (а-в) на возникновение центров кристаллизации (I) и величину зерен (II). Если скорость охлаждения мала, то число возникающих и растущих зародышей невелико и в конце кристаллизации формируются структуры из крупных зерен. При большой скорости охлаждения число одновременно развивающихся центров кристаллизации, а, следовательно, и число зерен возрастает и в конце кристаллизации они оказываются меньше, чем в первом случае. Это можно наблюдать на практике – в тонких сечениях литых деталей структура стали мелкозернистая, так как здесь происходит более быстрое охлаждение, чем в толстых сечениях. Чем мельче зерна, тем выше прочность и особенно вязкость металла.

 

Рис. 2. Влияние скорости охлаждения на процесс кристаллизации:

а – медленное охлаждение; б  – ускоренное охлаждение; в –  быстрое охлаждение; I – возникновение  центров кристаллизации; II – изменение  величины зерен

 

Чтобы сделать зерно  мелким, в металл вводят специальные  вещества – модификаторы. Например, в жидкую сталь при ее разливке добавляют порошок железа или частицы тугоплавких оксидов, которые являются готовыми центрами кристаллизации. Процесс искусственного регулирования величины зерен получил название модифицирования. Зерна отличаются различной ориентацией кристаллических решеток; размер зерен составляет 1-10000 мкм. Зерна повернуты относительно друг друга на десятки градусов. На границах зерен имеется поврежденный переходный слой толщиной порядка нескольких атомных слоев, свойства и химический состав которого может отличаться от сердцевины.

Кристаллические решетки  зерна могут иметь различные несовершенства, которые возникают в результате образования вакансий не занятых атомами; дислоцированных атомов (вышедших из узла решетки и занявших междоузленное положение); примесных атомов, внедренных в кристаллическую решетку. В результате таких несовершенств зерно разделяется на блоки и имеет структуру, которая называется микромозаичной. Отдельные мозаики повернуты относительно друг друга на небольшие углы, составляющие примерно 1°С. Решетки соседних блоков не совпадают по ориентации; смыкание решеток сопряжено с нарушением их правильности.

Причина возникновения  вакансий или незаполненных углов  кристаллической решетки – нарушение правильности порядка присоединения атомов при росте кристалла или сильное искажение решетки при пластической деформации.  Число вакансий зависит от температуры (может достигать 2% от объема кристалла): чем выше температура, тем больше концентрация вакансий. Искажение кристаллической решетки и состояние границ зерен в металлах влияют на свойства зерен. Например, прочность может увеличиваться вследствие искажения кристаллической решетки вблизи границ или уменьшаться из-за наличия примесей, которые всегда присутствуют в расплаве. Примеси, растворенные в жидком металле, могут также измельчать зерно и изменять его форму. Примеси при затвердевании в виде тонкого слоя осаждаются на поверхности растущего кристалла и ограничивают его рост. Чем больше скорости охлаждения и зарождения центров кристаллизации, тем выше скорость кристаллизации и тем более мелкозернистая структура сплава. При мелкозернистой структуре механические свойства сплава повышаются. При переходе сплава из жидкого в твердое состояние происходит усадка, сопровождаемая изменением удельного объема зерна. В результате усадки между зернами в местах соприкосновения растущих дендритов, в междуосных пространствах образуются микропустоты, которые могут заполняться примесями (сульфидами, фосфидами и т.п.) или образовывать микроскопические усадочные раковины и поры.

Такие примеси и поры ухудшают механические свойства сплава, так как при его нагреве  и приложении к нему нагрузок являются очагами трещин, надрывов и т.п. дефектов.

Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, когда практически мгновенно возникает множество мелких кристалликов – центров кристаллизации. Зарождающийся кристаллик имеет форму с правильной огранкой, определяемой типом кристаллической решетки конкретного твердого металла. При этом гранями кристалла являются плоскости с наибольшей плотностью упаковки атомов (для сплавов на основе железа это гране- или объемно-центрированная кубическая решетка). Рост граней происходит послойно, края незавершенных атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани.

В реальных производственных условиях правильный идеальный рост кристалла не выдерживается из-за особенностей теплоотвода. В итоге  это приводит к формированию окончательной  структуры сплава из зерен (кристаллитов) самого разнообразного вида. Различают структуры пластинчатые, игольчатые, многогранные, скелетные, дендритные и др. В частности, Д. К. Чернов первый обнаружил и описал дендритную (древовидную) структуру стали. Процесс кристаллизации идет избирательно, т.е. к растущему кристаллу присоединяются атомы металла, а примеси оттесняются, образуя оболочку, богатую загрязнениями, что затрудняет рост оси в поперечном направлении, тем самым ускоряется их направленный рост.

Жидкий металл, который  затвердевает в междендритном пространстве в последнюю очередь, содержит большее количество примесей, чем уже затвердевший металл. Таким образом, в жидком межосном пространстве накапливаются примеси и загрязнения. В результате в объеме отдельно взятого кристаллита (дендрита) наблюдается неоднородность химического состава — так называемая внутрикристаллитная или дендритная ликвация'. После горячей механической обработки (ковки, прокатки и прессовки) дендриты вытягиваются вдоль направления течения металла и образуют волокна, которые при наилучшем расположении распределяются вдоль контура изделия. Это оказывает положительное влияние на его механические свойства.

От структуры (строения) металлов и сплавов зависят их механические и технологические  свойства. Структура изучается наблюдением  без увеличения или при небольшом увеличении через лупу (макроскопический анализ), наблюдением с помощью металлографического микроскопа: светового (можно изучать кристаллиты размером до 0,2 мкм) или электронного (видны частицы размером 0,5... 1 нм) (микроскопический анализ). Кроме того, используется ставший классическим термический анализ путем построения кривых охлаждения с выявлением критических точек при нагревании и охлаждении металлов и сплавов, а далее создания диаграмм состояния сплавов в координатах температура-состав.

Для построения кривых охлаждения и определения температуры кристаллизации металла термическим методом  используют термоэлектрический пирометр, состоящий из термопары и гальванометра. Термопару помещают в расплав  металла и по величине термоЭДС измеряют температуру охлаждения через определенные промежутки времени, получая т. о. кривую охлаждения.

На теоретической кривой охлаждения, имеющей вид, показанный на рис. 3, при охлаждении начало кристаллизации (точка А) совпадает с равновесной температурой кристаллизации. Далее процесс кристаллизации до его окончания (точка Б) проходит при постоянной температуре, так как отвод теплоты компенсируется выделяющейся скрытой теплотой кристаллизации.

По окончании процесса кристаллизации температура вновь  начинает понижаться. В реальных условиях затвердевание металла происходит при более низкой температуре, чем равновесная

Рис. 3. Кривая охлаждения при кристаллизации: А — точка начала кристаллизации; Б — точка конца кристаллизации

 

 

 

2. Раскройте сущность определения твердости металлов по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу. Условные обозначения твердости

 

Одной из наиболее распространенных характеристик, определяющих качество металлов и сплавов, возможность  их применения в различных конструкциях и при различных условиях работы, является твердость. Испытания на твердость производятся чаще, чем определение других механических характеристик металлов: прочности, относительного удлинения и др.

Твёрдостью материала  называют способность оказывать  сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твёрдого тела. Для определения твёрдости в поверхность материала с определённой силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твёрдости материала. В зависимости от способа измерения твёрдости материала, количественно её характеризуют числом твёрдости по Бринелю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу (HV).

Широкое распространение  испытаний на твердость объясняется рядом их преимуществ перед другими видами испытаний:

- простота измерений, которые не требуют специального образца и могут быть выполнены непосредственно на проверяемых деталях;

- высокая производительность;

- измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению;

- возможность ориентировочно оценить по твердости другие характеристики металла, в первую очередь предел прочности.

Указанные механические характеристики связаны между собой, поэтому их конкретные значения могут быть найдены расчётным путём на основе данных о твёрдости с помощью  формул, полученных для конкретного материала с определённой термообработкой. Так, например, предел выносливости на изгиб сталей с твёрдостью 180-350 НВ равен примерно 1,8 НВ, с твёрдостью 45-55 HRC - 18 HRC+150, связь предела выносливости (σ_-1) с пределом прочности (σ_B)  стали описывается соотношениями:

- при растяжении-сжатии σ_-1=0,35*σ_B

- при изгибе углеродистой  стали σ_-1=(0,4..0,45)*σ_B

- при изгибе легированной  стали σ_-1=0,35*σ_B+120МПа

- при кручении σ_-1=0,25*σ_B

Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием в испытываемый металл индентора  в виде шарика, конуса и пирамиды (соответственно методы Бринелля, Роквелла и Виккерса). В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Величина внедрения наконечника в поверхность металла будет тем меньше, чем тверже испытываемый материал.

Таким образом, под твердостью понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – индентора.

 

Измерение твердости  по Бринеллю

 

 

Рис. 4. Схема испытаний на твердость по Бринеллю

 

Твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) измеряют вдавливанием в  испытываемый образец стального  шарика определенного диаметра D под  действием заданной нагрузки P в течение определенного времени (рис. 4). В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Число твердости по Бринеллю, обозначаемое HB, представляет собой отношение нагрузки P к площади поверхности сферического отпечатка F и измеряется в кгс/мм2 или МПа:

HB = P/F                                                           (1)

Площадь шарового сегмента (мм²) составит:

F = π×  D×  h                                                      (2)

где D –диаметр шарика, (мм); h – глубина отпечатка, (мм).

Так как глубину отпечатка измерить трудно, а проще измерить диаметр отпечатка d, выражают h (мм) через диаметр шарика D и отпечатка d: