Химико-термическая обработка стали и поверхностное упрочнение наклепом

В.Н. Дорош

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

для выполнения домашних заданий и

контрольных работ по дисциплине

«Материаловедение»

для студентов направления

150100 «Металлургия»

всех форм обучения

Новотроицк 2010

В.Н. Дорош Методическое пособие, для выполнения домашних заданий и контрольных работ по дисциплине «Материаловедение» для студентов направления 150100 «Металлургия» Новотроицк. НФ МИСиС 2010 – 76с.

Данное пособие предназначено для оказания практической помощи при выполнении контрольных работ и домашних заданий, предусмотренных учебными программами

Одобрено на заседании кафедры МТ

«___» ________2012г.

Содержание

1 Введение 4

2 Строение металлов 4

3 Теория сплавов 5

4 Пластическая деформация и механические свойства металлов 5

6 Влияние нагрева на структуру и свойства деформируемого металла 6

7 Железо и его сплавы 7

8 Технология термической обработки 9

9 Конструкционные стали 10

10 Алюминий, магний и их сплавы 12

11 Неметаллические материалы 14

12 Задания на контрольную (домашнюю) работу №1 17

13 Задания на контрольную (домашнюю) работу №2 40

14 Приложение: диаграммы двойных сплавов 69

15 Рекомендуемая литература 76

Введение

В зависимости от назначения, к различным сплавам предъявляются различные требования. Получение тех или иных свойств определяется внутренним строением сплавов. В свою очередь строение сплава зависит от состава и характера предварительной обработки. Следовательно, между всеми этими характеристиками существуют определенные связи: между составом и строением (первая связь), между обработкой и строением (вторая связь) и между строением и свойствами (третья связь).

Строение металлов

Металлам присущ особый тип химической связи - металлический, который обуславливает отличительные свойства металлов: высокую электропроводность и теплопроводность, высокую пластичность, металлический блеск. Металлические тела характеризуются кристаллическим строением. Однако свойства реальных кристаллов характеризуются значительными отличиями от теоретических. Это определяется известными несовершенствами кристаллического строения. Дефекты подразделяются на точечные, линейные и объемные. Особую роль играют дислокации (линейные дефекты). В связи с этим необходимо разобраться в видах несовершенств, особенно в строении дислокаций, причинах их легкого перемещения в кристаллической решетке и влиянии на механические свойства.

Термодинамические причины фазовых превращений являются одним из частных случаев общего закона природы: стремлением любой системы к состоянию с наименьшим запасом энергии (в данном случае свободной энергии). Особое внимание обратить на то, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов - зарождения и роста кристаллов и определяющее влияние на эти параметры степени переохлаждения; принципиально превращения в твердом состоянии ничем не отличаются от превращений в расплавах и многим металлам присущ полиморфизм.

Необходимо иметь в виду, что решающее значение на процессы кристаллизации оказывает реальная среда. В результате ее воздействия формируется структура литого металла.

Контрольные вопросы:

1 Каковы характерные свойства металлов и в чем они заключаются.

2 Что такое элементарная ячейка и чем она определяется.

3 Что такое полиморфизм.

4 Что такое мозаичная структура.

5 Виды дислокаций и их строение.

6 Что такое анизотропия свойств кристаллов.

7 В чем заключается физическая сущность процессов кристаллизации.

8 Определите параметры процесса кристаллизации.

9 Какова связь между величиной зерна, скоростью зарождения, скоростью роста кристаллов и степенью переохлаждения.

10 Формы кристаллов и влияние реальной среды на процесс кристаллизации, образование дендритной структуры.

11 Строение слитка, строение непрерывно литой заготовки.

12 В чем сущность модифицирования.

Теория сплавов

Большинством реальных материалов являются сплавы. Сплавы представляют собой твердые растворы. Существуют твердые растворы замещения, внедрения, также в сплавах присутствуют химические соединения и механические смеси. Наглядное представление о состоянии любого сплава, в зависимости от состава и температуры дают диаграммы состояния. Диаграммы состояния строятся в условиях равновесного охлаждения, поэтому при их применении это обстоятельство должно обязательно учитываться. Необходимо усвоить основные типы диаграмм состояния. Необходимо применять правило отрезков(для определения доли каждой фазы или структурной составляющей в сплаве и определения состава кристаллизующейся фазы и состава расплава), правило фаз (для построения кривых нагревания и охлаждения), иметь представление о связи между составом, строением и свойствами сплава.

Контрольные вопросы:

1 Что такое компонент, фаза, физико-химическая система, число степеней свободы.

2 Приведите объяснение твердого раствора, механической смеси, химического соединения.

3 Что представляют твердые растворы замещения, внедрения.

4 Как строятся диаграммы состояния?

5 Объясните принцип построения кривых нагревания и охлаждения с помощью правила фаз.

6 Начертите и проанализируйте диаграмму состояния для случая образования непрерывного ряда твердых растворов.

7 Начертите и проанализируйте диаграмму состояния для случая полной нерастворимости компонентов в твердом состоянии.

8 Начертите и проанализируйте диаграмму состояния для случая образования эвтектики, состоящей из ограниченных твердых растворов.

9 Каким образом определяется концентрация фаз и их количественное соотношение.

10 В чем различие между звтектической и перитектической кристаллиэациями.

11 В чем различие между звтектическим и эвтектоидным превращениями.

12 Виды ликвации и способы их устранения.

Пластическая деформация и механические свойства металлов.

Рассмотрите физическую природу деформации и разрушения. Особое внимание необходимо уделить механизму пластической деформации , ее влиянию на микроструктуру, а также на поведение дислокаций и их плотность. Разберитесь в сущности явления наклепа и его практическом использовании.

Изучите основные методы определения механических свойств и физический смысл определяемых характеристик. Свойства определяемые при статических и динамических испытаниях.

Контрольные вопросы:

1 В чем отличие между упругой и пластической деформациями.

2 Как изменяется строение металла в процессе пластического деформирования.

3 Почему наблюдается огромное различие между теоретической и практической прочностями.

4 Как влияет изменение строения на свойства деформированного металла.

5 В чем сущность наклепа и какое он имеет практическое значение.

6 Какие характеристики механических свойств определяют при испытании на растяжение

7 Что такое твердость. Какие существуют методы определения твердости?

8 Что такое ударная вязкость?

9 Что такое порог хладноломкости?

10 Что такое конструктивная прочность, от чего она зависит и как определяется?

Влияние нагрева на структуру и свойства деформируемого металла

Сущность рекристализационных процессов: возврата, первичной рекристаллизации, вторичной(собирательной ) рекристаллизации, протекающих при нагреве деформированного металла. Уясните, как при этом изменяются механические свойства, установите, как при этом влияет состав сплава и степень пластической деформации на протекание рекристаллизационных процессов. Уяснить, как назначается режим рекристаллизационного отжига, его практическое значение. Иметь четкое представление о различии между холодной и горячей пластической деформацией.

Контрольные вопросы:

1 Как изменяются свойства металла при нагреве.

2 В чем сущность процесса возврата?

3 Что такое полигонизация?

4 Сущность процессов первичной и вторичной рекристаллизации, механизмы процессов рекристаллизации.

5 Как влияет состав сплава и степень деформации на температуру рекристаллизации?

6 Что такое критическая степень деформации?

7 В чем различие между холодной и горячей пластическими деформациями?

8 Каково назначение рекристаллизационного отжига и как он осуществляется?

Железо и его сплавы

Необходимо знать диаграмму состояния железо-цементит, определять все фазы и структурные составляющие этой системы, а также строить с помощью правила фаз кривые охлаждения для любого сплава, четко разбираться в классификации железоуглеродистых сплавов и усвоить, что различие между тремя классами -техническое железо, сталь и чугун не является формальным. Разные классы принципиально различны по структуре и свойствам. Необходимо знать, что технические железоуглеродистые сплавы состоят не только из железа и углерода, но и содержат постоянные примеси, попадающие в сплав при последующих операциях по выплавке. Изучите влияние легирующих элементов на кинетику и характер превращения аустенита в перлитной, промежуточной и мартенситной областях. В связи с влиянием легирующих элементов на диаграммы изотермического распада аустенита, рассмотрите причины получения различных классов по структуре (перлитного, мартенситного, аустенитного). Уясните влияние легирующих элементов на превращения при отпуске. Следует помнить, что легирующие элементы, как правило, затормаживают процессы превращений. Запомните практическое применение изотермических диаграмм.

Контрольные вопросы:

1 Что такое феррит, аустенит, перлит, цементит и ледебурит?

2 Какие превращения происходят в сплавах при температурах А1, А2, А3, А4, Асm ?

3 Построить с помощью правила фаз кривую охлаждения для стали с 0,8 % С и для чугуна с 4,3 %С.

4 Каковы структуры и свойства технического железа, стали и белого чугуна.

5 В каких условиях выделяется первичный, вторичный и третичный цементиты.

6 Как влияют легирующие элементы на положение точек А1, А2, А3, А4, Асm ?

7 Какие легирующие элементы являются карбидообразующими, какие способствуют графитизации?

8 Как легирующие элементы влияют на свойства феррита и аустенита ?

9 Как классифицируют стали по структуре в равновесном состоянии?

10 Классификация и маркировка чугунов?

11 Как получают высокопрочный чугун? Его строение, свойства и назначение?

12 Как получают ковкий чугун? Его строение, свойства и назначение?

13 Сравните механические свойства серого, ковкого и высокопрочного чугунов.

Теория термической обработки

Термическая обработка - один из основных способов влияния на структуру, а следовательно и свойства стали.

При изучении превращений переохлажденного аустенита особое вимание обратите на диаграмму изотермического распада, устанавливающую связь между температурными условиями превращения, интенсивностью распада и строением продуктов превращения. Разберитесь в механизмах и особенностях перлитного, промежуточного и мартенситного превращений, происходящая соответственно в верхней, средней и нижней температурной областях. Уясните строение и свойства перлита, сорбита, троостита, бейнита, мартенсита и особенно различие и сходство одноименных структур, получаемых при распаде аустенита и отпуске закаленной стали. Изучите влияние легирующих элементов на кинетику и характер превращения аустенита в перлитной, промежуточной и мартенситной областях. В связи с влиянием легирования на диаграммы изотермического распада, рассмотрите причины получения разных классов по структуре(перлитного, мартенситного, аустенитного). Уясните влияние легирующих элементов на превращения при отпуске, следует помнить, что легирование, как правило затормаживает процессы превращений как при закалке, так и при отпуске. Запомните практическое значение изотермических диаграмм.

Контрольные вопросы:

1 Механизм образования аустенита при нагреве стали.

2 Объясните механизмы и температурные районы образования структур перлитного типа (перлит, сорбит, троостит) и бейнитного типа.

3 В чем различие между перлитом, трооститом, сорбитом.

4 Что такое мартенсит и в чем сущность мартенситного превращения?

5 Что такое критическая скорость закалки?

6 От чего зависит количество остаточного аустенита?

7 Что такое коагуляция и как изменяются и как изменяются структура и свойства стали в связи с коагуляцией карбидной фазы при отпуске?

8 В чем сущность превращений, происходящих при отпуске?

9 Каково практическое значение термокинетических диаграмм?

10 Как влияют легирующие элементы на кинетику перлитного превращения?

11 Как влияют легирующие элементы на мартенситное превращение ?

12 как протекает промежуточное превращение в легированных сталях?

13 Как влияют легирующие элементы на превращения при отпуске?

14 В чем сущность отпускной хрупкости?

15 Как можно устранить отпускную хрупкость второго рода?

Технология термической обработки

Уясните влияние скорости охлаждения на структуру и свойства стали и физическую сущность процессов отжига, нормализации закалки и обработки холодом. При изучении технологических процессов термической обработки особое внимание обратите на разновидности режимов и их назначение. Для выяснения причин брака при термической обработке стали следует разобраться в природе термических и фазовых напряжений.

Уясните различие между закаливаемостью и прокаливаемостью стали, а также факторы, влияющие на эти характеристики. Разберитесь в сущности получения высокопрочных изделий методом термомеханической обработки.

Различные виды поверхностной закалки позволяют получить особое сочетание поверхностных свойств и сердцевины, что приводит к существенному повышению эксплуатационных свойств изделия. При изучении индукционной закалки уясните связь между частотой тока и глубиной проникновения закаленного слоя. Закалка с нагревом токами высокой частоты приводит к получению более высокого комплекса свойств, чем при обычном нагреве. Для получения оптимальных результатов следует руководствоваться диаграммами допустимых и преимущественных режимов нагрева под закалку токами высокой частоты.

Необходимо иметь в виду, что современные автоматические и полуавтоматические агрегаты для термической обработки могут быть включены в технологические линии машиностроительных заводов, в связи с чем при массовом производстве отпадает необходимость в специальных цехах.

Контрольные вопросы:

1 Приведите определения основных процессов термической обработки: отжига, нормализации и закалки.

2 Назовите разновидности процесса отжига и для чего они применяются?

3 Какова природа фазовых и термических напряжений.

4 Какие вам известны разновидности закалки и в каких случаях они применяются?

5 Какие виды и причины брака при закалке

6Какие вам известны группы охлаждающих сред и каковы их особкееност?

7 От чего зависит прокаливаемость стали и в чем ее технологическое значение.

8 Какие вам известны технологические приемы уменьшения деформации при термической обработке?

9 Как изменяются скорость и температура нагрева изделий из легированной стали по сравнению с углеродистой.

10 В чем сущность и особенности термомеханической обработки.

11 Как влияет поверхностная закалка на эксплуатационные характеристики изделий?

12 Как регулируется глубина закаленного слоя при обработке токами высокой частоты?

13Каковы сущность и назначение диаграммы допустимых и преимущественных режимов нагрева под закалку токами высокой частоты?

14 Каковы преимущества поверхностной индукционной закалки?

Химико-термическая обработка стали и поверхностное упрочнение наклепом

При изучении основ химико-термической обработки, следует исходить из того, что принципы химико-термической обработки едины. Процесс химико-термической обработки состоит из выделения атомарного насыщающего вещества внешней средой, захвата(сорбции) этих атомом поверхностью металла и диффузии их внутрь металла. Поэтому нужно рассмотреть реакции в газовой среде при цементации и азотировании и усвоить современные представления о диффузии в металлах. В большинстве случаев насыщение может происходить из твердой, жидкой и газовой сред, а поэтому ножно знать наиболее удачные варианты насыщения для каждого метода химико-термической обработки и конечные результаты(поверхностное упрочнение, изменение физико-механических свойств).

Разберитесь в технологии проведения отдельных видов химико-термической обработки, уясните преимущества и области использования цементации, азотирования, цианирования и различных видов диффузионной металлизации. Разберитесь во влиянии легирования на механизм формирования структуры поверхностного слоя. Рассмотрите сущность и назначение дробеструйного поверхностного наклепа и его влияние на эксплуатационные свойства деталей машин.

Контрольные вопросы:

1 В чем заключаются физические основы химико-термической обработки?

2 В чем заключаются особенности процесса азотирования?

3 В чем заключаются особенности процесса цементации?

4 Назначение и режим термической обработки после цементации.

5 Каковы свойства цементированных и азотированных изделий?

6 Химизм и назначение процесса цианирования?

7 В чем различие между диффузионным и электрохимическим хромированием?

8 Для каких целей и как проводится нитроцементация?

9 Сущность и назначение процесса борирования?

10 Как изменяются свойства изделий при дробеструйной обработке и какова природа этих изменений?

11 Как влияет поверхностное упрочнение на эксплуатационные характеристики изделий?

Конструкционные стали

Нужно усвоить принципы маркировки стали и уметь по маркировке определять состав и особенности данной стали, а также иметь общее представление о разных группах стали.

Хорошо разберитесь во влиянии легирующих элементов на изменение структуры и свойств стали, особое внимание уделите технологическим особенностям термической обработки стали различных групп.

Рассмотрите способы классификации (по структуре в нормализованном состоянии и по назначению), основные принципы выбора для различного назначения цементируемых, улучшаемых, пружинных, износостойких, автоматных, высокопрочных и других сталей.

При изучении жаропрочных сталей обратите особое внимание на особенности поведения металла в условиях нагружения при повышенных температурах. Уясните сущность явления ползучести и основные характеристики жаропрочности. Каковы предельные рабочие температуры и области применения сталей различного структурного класса.

Необходимо уметь выбрать марку стали для различного назначения, расшифровать ее состав, назначить режим термической обработки и объяснить сущность происходящих превращений и указать полученную структуру и свойства.

Контрольные вопросы:

1 Как классифицируются легированные стали?

2 Как классифицируются конструкционные стали по технологии термообработки?

3 Чем определяется выбор марки цементуемой стали для изделий различного назначения?

4 Чем объясняется назначение процесса улучшения для конструкционной стали?

5 Как влияет степень легирования на механические свойства улучшаемой стали?

6 Чем определяется выбор марки улучшаемой стали для изделий различного назначения?

7 Примеры марок стали, используемых в различных условиях работы.

8 Какие требовании предъявляются к рессорно-пружинным сталям и как они классифицируются по прочностным свойствам?

9 Какие вы знаете износостойкие стали ? Принципы их легирования?

10 Приведите примеры марок высокопрочной стали, назначьте режим термообработки.

11 Каковы требования предъявляемые к нержавеющим сталям, марки, состав, свойства, термическая обработка, назначения

12 Каковы требования предъявляемые к жаростойким сталям, марки, состав, свойства, термическая обработка, назначения

13 Каковы требования предъявляемые к жаропрочным сталям, марки, состав, свойства, термическая обработка, назначения

14 В чем сущность явлении ползучести, какими способами можно повысить жаропрочность стали, объясните природу упрочнения.

15 Приведите примеры жаропрочных сталей перлитного, мартенситного и аустенитного класса.