Шпаргалка по "Металлургии"

Высокодисперсная смесь феррита и цементита называется троостит отпуска;

При нагреве выше 400^oС изменение фазового состава не происходит, изменяется только микроструктура. Имеет место рост и сфероидизация цементита. Наблюдается растворение мелких и рост крупных карбидных частиц.

При температуре 550…600^oС имеем сорбит отпуска. Карбиды имеют зернистое строение. Улучшаются свойства стали.

При температуре 650…700^oС получают более грубую ферритно- цементитную смесь – перлит отпуска (зернистый перлит).

 

37. Законы кристаллизации, модифицирование, виды ликвации, строение стального слитка.

Любое вещество может находиться в  трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход  из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

С изменением внешних условий свободная  энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной  энергии жидкого и твердого состояний  с изменением температуры показан на рис. 3.1.

Рис.3.1. Изменение свободной энергии  в зависимости от температуры 

 

В соответствии с этой схемой выше температуры Т_S вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже Т_S – в твердом.

При температуре равной Т_S жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура Т_S – равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был  термодинамически выгоден системе  и сопровождался уменьшением  свободной энергии системы. Это  возможно при охлаждении жидкости ниже температуры Т_S. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной  температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения ( ):

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его  загрязненности (чем чище металл, тем  больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждени).

Рассмотрим переход металла из жидкого состояния в твердое.

При нагреве всех кристаллических  тел наблюдается четкая граница  перехода из твердого состояния в  жидкое. Такая же граница существует при переходе из жидкого состояния  в твердое.

Кристаллизация – это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров.

Кристаллизация протекает в  условиях, когда система переходит  к термодинамически более устойчивому  состоянию с минимумом свободной  энергии.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время – температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рис. 3.2.

Рис.3.2. Кривая охлаждения чистого  металла 

 

– теоретическая температура кристаллизации;

_. – фактическая температура кристаллизации.

Процесс кристаллизации чистого металла:

До точки 1 охлаждается металл в  жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 – 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.  

 

Механизм  и закономерности кристаллизации металлов.  

 

При соответствующем понижении  температуры в жидком металле  начинают образовываться кристаллики  – центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется.

Минимальный размер способного к росту  зародыша называется критическим размером, а зародыш – устойчивым.

Переход из жидкого состояния в кристаллическое требует затраты энергии на образование поверхности раздела жидкость – кристалл. Процесс кристаллизации будет осуществляться, когда выигрыш от перехода в твердое состояние больше потери энергии на образование поверхности раздела. Зависимость энергии системы от размера зародыша твердой фазы представлена на рис. 3.3.

Зародыши с размерами равными  и большими критического растут с  уменьшением энергии и поэтому  способны к существованию.

Рис.3.3. Зависимость энергии системы  от размера зародыша твердой фазы  

 

Механизм кристаллизации представлен  на рис.3.4.

Рис.3.4. Модель процесса кристаллизации  

 

Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала  кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания  с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.

Качественная схема процесса кристаллизации может быть представлена количественно кинетической кривой (рис.3.5).

Рис. 3.5. Кинетическая кривая процесса кристаллизации 

 

Процесс вначале ускоряется, пока столкновение кристаллов не начинает препятствовать их росту. Объем жидкой фазы, в которой образуются кристаллы уменьшается. После кристаллизации 50 % объема металла, скорость кристаллизации будет замедляться.

Таким образом, процесс кристаллизации состоит из образования центров  кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

В свою очередь, число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.) зависят от степени переохлаждения (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Зависимость числа центров  кристаллизации (а) и скорости роста  кристаллов (б) от степени переохлаждения  

 

Размеры образовавшихся кристаллов зависят  от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации.

При равновесной температуре кристаллизации Т_S число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.

Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей т.а, то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста – большая).

При переохлаждении до температуры  соответствующей т.в – мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая).

Если металл очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста  кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело. Для металлов, обладающих малой  склонностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящие ветви кривых. 

 

Условия получения  мелкозернистой структуры 

 

Стремятся к получению мелкозернистой структуры. Оптимальными условиями  для этого являются: максимальное число центров кристаллизации и  малая скорость роста кристаллов.

Размер зерен при кристаллизации зависит и от числа частичек нерастворимых  примесей, которые играют роль готовых  центров кристаллизации – оксиды, нитриды, сульфиды.

Чем больше частичек, тем мельче зерна  закристаллизовавшегося металла.

Стенки изложниц имеют неровности, шероховатости, которые увеличивают скорость кристаллизации.

Мелкозернистую структуру можно  получить в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляются посторонние вещества – модификаторы,

По механизму воздействия различают:

1. Вещества не растворяющиеся в жидком металле – выступают в качестве дополнительных центров кристаллизации.
2. Поверхностно - активные вещества, которые растворяются в металле, и, осаждаясь на поверхности растущих кристаллов, препятствуют их росту.

 

 

Строение металлического слитка 

 

Схема стального слитка, данная Черновым Д.К., представлена на рис.3.7.

Рис. 3.7. Схема стального слитка

Слиток состоит из трех зон:

1. мелкокристаллическая корковая зона;
2. зона столбчатых кристаллов;
3. внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.

Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура.

Жидкий металл под корковой зоной  находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс  кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.

Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты (рис. 3.8). Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.

Рис.3.8. Схема дендрита по Чернову  Д.К. 

 

Так как теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной  зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.

Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление  называется транскристаллизацией.

Для малопластичных металлов и для  сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.

В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как  металл более рыхлый (около 15…20 % от длины слитка)

Методы исследования металлов: структурные  и физические

Металлы и сплавы обладают разнообразными свойствами. Используя один метод исследования металлов, невозможно получить информацию о всех свойствах. Используют несколько методов анализа.

 

 

39. Легированные пружинно-рессорные  стали. Изменение структуры и  свойств в результате термической обработки пружинно-рессорных сталей.  

Пружины, рессоры и другие упругие элементы являются важнейшими деталями различных  машин и механизмов. В работе они  испытывают многократные переменные нагрузки. Под действием нагрузки пружины  и рессоры упруго деформируются, а после прекращения действия нагрузки восстанавливают свою первоначальную форму и размеры. Особенностью работы является то, что при значительных статических и ударных нагрузках они должны испытывать только упругую деформацию, остаточная деформация не допускается. Основные требования к пружинным сталям – обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению, стойкости к релаксации напряжений.

Пружины работают в области упругих  деформаций, когда между действующим  напряжением и деформацией наблюдается  пропорциональность. При длительной работе пропорциональность нарушается из-за перехода части энергии упругой  деформации в энергию пластической деформации. Напряжения при этом снижаются.

Самопроизвольное снижение напряжений при постоянной суммарной деформации называется релаксацией напряжений.

Релаксация приводит к снижению упругости и надежности работы пружин.

Пружины изготавливаются из углеродистых (65, 70) и легированных (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР) конструкционных сталей.

Для упрочнения пружинных углеродистых сталей применяют холодную пластическую деформацию посредством дробеструйной  и гидроабразивной обработок, в  процессе которых в поверхностном слое деталей наводятся остаточные напряжения сжатия.

Повышенные значения предела упругости  получают после закалки со средним  отпуском при температуре 400…480 ^oС.

Для сталей, используемых для пружин, необходимо обеспечить сквозную прокаливаемость, чтобы получить структуру троостита по всему сечению.

Упругие и прочностные свойства пружинных сталей достигаются при  изотермической закалке.

Пружинные стали легируют элементами, которые повышают предел упругости  – кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором.

В целях повышения усталостной  прочности не допускается обезуглероживание  при нагреве под закалку и  требуется высокое качество поверхности.

Пружины и другие элементы специального назначения изготавливают из высокохромистых  мартенситных (30Х13), мартенситно-стареющих (03Х12Н10Д2Т), аустенитных нержавеющих (12Х18Н10Т), аустенито-мартенситных (09Х15Н8Ю), быстрорежущих (Р18) и других сталей и сплавов.

 

 

41. Основное назначение  легирования. Легированные стали.  Влияние легирующих элементов  на кинетику распада аустенита и на мартенситное превращение. 

 

Элементы, специально вводимые в сталь  в определенных концентрациях с  целью изменения ее строения и  свойств, называются легирующими элементами, а стали – легированными.

Cодержание легируюшихх элементов  может изменяться в очень широких пределах: хром или никель – 1% и более процентов; ванадий, молибден, титан, ниобий – 0,1… 0,5%; также кремний и марганец – более 1 %. При содержании легирующих элементов до 0,1 % – микролегирование.

В конструкционных сталях легирование осуществляется с целью улучшения механических свойств (прочности, пластичности). Кроме того меняются физические, химические, эксплуатационные свойства.

Легирующие элементы повышают стоимость  стали, поэтому их использование  должно быть строго обоснованно.