ККР по Материаловедению

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Тульский государственный университет

Кафедра «Физика металлов и материаловедение»

Контрольно-курсовая работа

Вариант № 20

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1

Задание №1.

Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду, температуру отпуска) для деталей из указанной стали, для получения заданного значения твердости или прочности. Опишите микроструктуру и свойства материала до и после термической обработки.

№ вар.	Деталь	Сталь	Значение твердости или предела прочности
20	Полуось	35Х2МА	HB 250-280

Режим термической обработки: отжиг, закалка, отпуск.

	Температура, град. С	Охлаждающая среда	Время выдержки, ч.
Отжиг	740-780	-	3
Закалка	860	масло	4
Отпуск	200	воздух	-

Марка стали	Структура до закалки	Структура при нагреве	Структура после охлаждения
35Х2МА	Ф+П	А	М

Отжиг стали. Отжигом называют вид термической обработки состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и медленном охлаждении.

В процессе отливки, прокатки или ковки стальные заготовки охлаждаются неравномерно, что приводит к неоднородности структуры и свойств, возникновению внутренних напряжений. При затвердевании отливок кроме того возможно появление внутри кристаллитной ликвации (химической неоднородности по сечению зерна). В сварных соединениях также наблюдаются неоднородности структуры, свойств и внутренние напряжения. Для устранения различного рода структурных неоднородностей проводят отжиг.

Закалка. Цель закалки - повысить твердость, прочность, износоустойчивость. Закалка является наиболее ответственной операцией термической обработки, так как проводится в конце технологического цикла изготовления детали или инструмента.

Отпуск закаленной стали. Отпуск - вид термической обработки состоящий в нагреве закаленной стали до температур ниже А1, выдержке и охлаждении в воде или на воздухе. Отпуску подвергают все закаленные стали с целью уменьшения внутренних напряжений, повышения ударной вязкости при некотором снижении твердости и прочности. В зависимости от требований предъявляемых к изделиям их подвергают отпуску при различных температурах. Используем низкий отпуск (150-220 град). Проводится с целью чуть-чуть снизить остаточные напряжения без существенного снижения твердости. Применяется для металлорежущего инструмента из высокоуглеродистых сталей и деталей работающих на истирание (например, шестерни). Получаемая структура - отпущенный мартенсит.

Задание №2.

Для изготовления данной детали выбрана определенная марка стали:

1. Расшифруйте состав и определите, к какой группе относится данная сталь по назначению;

Назначьте режим термической обработки, приведите подробное его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали;

Опишите микроструктуру и главные свойства стали после термической обработки.

№ вар.	Деталь	Сталь
20	Сверло	Р18К5Ф2

Марка:	Р18К5Ф2
Классификация:	Сталь инструментальная быстрорежущая
Применение:	Для черновых и получерновых инструментов при обработке высокопрочных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов

Легирующие элементы, добавленные в шихту в небольшом количестве, качественно не изменяют микроструктуру отливки, но измельчают ее, что повышает прочность стали. Большое количество легирующих добавок изменяет структуру стали, поэтому в ней могут образовываться новые структурные составляющие: аустенит, мартенсит, тростит, сорбит, которые придают стали различные особые специальные свойства: износоустойчивость, химическую стойкость, жаростойкость и т. п.

Режим термической обработки.

I. Отжиг 860-880°, охлаждение в печи 20-25 град/час.

II. Отжиг 860-880°- 3 часа, 750-760°- 6-8 час. Твердость после отжига НВ: стали Р18К5Ф2- 269.

III. Закалка: первый подогрев 400-500°, с предварительным погружением на 15-20 сек. в пересыщенный водный раствор буры; второй подогрев 830-860°.

Закалка в масле или селитре при 400-500° с температурой нагрева для стали Р18К5Ф2 1280-1290°. Отпуск при температуре Р18К5Ф2 - 580°, 3 раза, 1 час.

Термическая и химико-термическая обработка проводится с целью получения нужной структуры металла и определенной твердости и стойкости поверхности инструмента. Завышенная твердость ведет к выкрашиванию поверхности, недостаточная - к смятию.

Задание №3.

Дайте полные ответы на вопросы из таблицы. Для иллюстрации ответов приведите необходимые графики, таблицы и рисунки.

№ вар.	Вопрос
20	Чем отличается азотирование от нитроцементации?

температуре 500—650 °С в среде аммиака. Выше 400 °С начинается диссоциация аммиака по реакции NH3 ? 3H + N. Образовавшийся атомарный азот диффундирует в металл, образуя азотистые фазы. При температуре азотирования ниже 591 °С азотированный слой состоит из трёх фаз:

Азотирование - насыщение поверхности металлических деталей азотом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости, предела усталости и коррозионной стойкости. Азотированию подвергают сталь, титан, некоторые сплавы, наиболее часто — легированные стали, особенно хромоалюминиевые, а также сталь, содержащую ванадий и молибден.

• ? — нитрида Fe2N,

?' — нитрида Fe4N,

? — азотистого феррита, содержащего около 0,01% азота при комнатной температуре.

При температуре азотирования 600—650° С возможно образование ещё и ?-фазы, которая в результате медленного охлаждения распадается при 591°C на эвтектоид ? + ?1. Твёрдость азотированного слоя увеличивается до HV = 1200 (соответствует 12 Гн/м2) и сохраняется при повторных нагревах до 500—600°C, что обеспечивает высокую износоустойчивость деталей при повышенных температурах. Азотированные стали значительно превосходят по износоустойчивости цементированные и закалённые стали. Азотирование - длительный процесс, для получения слоя толщиной 0,2—0,4 мм требуется 20—50 ч. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает твёрдость слоя. Для защиты мест, не подлежащих азотированию, применяются лужение (для конструкционных сталей) и никелирование (для нержавеющих и жаропрочных сталей). Для уменьшения хрупкости слоя, азотирование жаропрочных сталей иногда ведут в смеси аммиака и азота.

Азотирование титановых сплавов проводится при 850—950 °С в азоте высокой чистоты (азотирование в аммиаке не применяется из-за увеличения хрупкости металла). При азотировании образуется верхний тонкий нитридный слой и твёрдый раствор азота в ?-титане. Глубина слоя за 30 ч — 0,08 мм с поверхностной твёрдостью HV = 800—850 (соответствует 8—8,5 Гн/м2). Введение в сплав некоторых легирующих элементов (Al до 3%, Zr 3—5% и др.) повышает скорость диффузии азота, увеличивая глубину азотированного слоя, а хром уменьшает скорость диффузии.

Азотирование титановых сплавов в разреженном азоте [100—10 н/м2 (1—0,1 мм рт ст.)] позволяет получать более глубокий слой без хрупкой нитридной зоны. Азотирование широко применяют в промышленности, в том числе для деталей, работающих при температурах до 500—600 °С (гильз цилиндров, коленчатых валов, шестерён, золотниковых пар, деталей топливной аппаратуры и др.).

Основные технологические характеристики процесса азотирования в печах (на примере шахтной электропечи МИМП-СШЗ).

Технологические параметры	Значение
Температура процесса антикоррозионного азотирования	560-580 °C 600-750 °C
Время процесса азотирования: - быстрорежущего инструмента - штампов и пресс форм - конструкционных сталей - антикоррозионное азотирование	10-20 минут 5-10 часов 2-5 часов 0,5-1,5 часа
Среда	50% эндогаза + 50% аммиака

Нитроцементация сталей — процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при 700—950 °C в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Наиболее часто нитроцементация проводится при 850—870 °С. После нитроцементации следует закалка в масло с повторного нагрева или непосредственно из нитроцементационной печи с температуры насыщенияили небольшого подстуживания. Для уменьшения деформации рекомендуется применять ступенчатую закалку с выдержкой в горячем масле 180—200 °С.

Преимущества. По сравнению с цементацией нитроцементация имеет ряд существенных преимуществ. При легировании аустенита азотом снижается температура ? ? ?-превращения, что позволяет вести процесс насыщения при более низких температурах. Одновременно в присутствии азота резко возрастает диффузионная подвижность углерода в аустените (см. табл.). С повышением температуры эффект ускорения уменьшается (табл.).

Температура, °С	Нитроцементация
	DN·10-11, м2/c	DC·10-11, м2/c
850	0,3	0,38
900	0,6	0,75
950	1,08	1,17

Несмотря на значительно более низкую температуру насыщения, скорость роста диффузионного слоя при цементации (930—950 °С) и нитроцементации (840—860 °С)на толщину 0,5—0,8 мм практически одинакова. Производственный цикл при нитроцементации по сравнению с цементацией сокращается на 50—60 %.

Понижение температуры насыщения, без увеличения длительности процесса, позволяет снизить деформацию обрабатываемых деталей, повысить стойкость печного оборудования и уменьшить время на подстуживание перед закалкой.

Применение. Процесс нитроцементации получил широкое распространение в машиностроении для деталей, по условиям работы которых достаточна толщина упрочненного слоя 0,2—1,0 мм. На ВАЗе 94,5 % деталей, упрочняемых ХТО, подвергаются нитроцементации. Например, нитроцементация широко применяется для упрочнения зубчатых колёс. В этом случае эффективная толщина слоя (до HV 600) для шестерён с модулем 1,5—3,5 мм принимается 0,3 ± 0,1, а при модуле 4,0—5,5 мм — 0,4 ± 0,1.

Оборудование. Для газовой цементации и нитроцементации применяют практически одинаковое оборудование — шахтные, камерные или проходные печи.

Структура и свойства нитроцементированного слоя. При оптимальных условиях насыщения структура нитроцементированного слоя должна состоять из мартенсита, небольшого количества карбонитридов и некоторого количества остаточного аустенита, структура сердцевины из троостосорбита, бейнита или малоуглеродистого мартенсита. В нитроцементированном слое нередко допускается повышенное количество остаточного аустенита, который обеспечивает хорошую прирабатываемость, нешлифуемых автомобильных шестерён, что обеспечивает их бесшумную работу. В стали 25ХГТ количество остаточного аустенита составляет 25—30 %, а в сталях 25ХГМ и 25ХГМТ достигает 45—50 %. В тех случаях, когда изделие после нитроцементации проходит шлифование, большое количество остаточного аустенита не желательно, так как он не только снижает механические свойства, но и способствует образованию трещин при шлифовании. В американской практике считается допустимым содержание в нитроциментируемом слое остаточного аустенита в количестве, при котором твёрдость после закалки не ниже 60 HRC. Чаще твёрдость слоя составляет 58—64 HRC.

Задание №4.

Расшифруйте состав и определите, к какой группе относится данный сплав по назначению и где используется; зарисуйте и опишите микроструктуру сплава; укажите основные требования, предъявляемые к данному сплаву при его использование в машиностроении.

№ вар.	Сплав
20	Б16

Баббит Б-16 Гост 1320-74

Температура плавления: 240–410 °C.

Состав: Sb15-16%, Sn15-16%, остальное - Pb.

Твердость материала: HB 10 ^-1 = 30 МПа

Предел кратковременной прочности , [МПа] – 147

Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа] – 86

Плотность материала , [кг/м3] – 9290

Баббит Б16, разработанный А.М.Бочваром, – сплав на свинцовой основе. Он содержит 16% Sn, 16% Sb, 2%Cu. Медь введена для предотвращения ликвации по плотности. В сплаве Б16 первично выделяются кристаллы соединения Cu₆Sn₅, затем двойная эвтектика b +Cu₆Sn₅ и тройная эвтектика d +b +Cu₆Sn₅. Пестрая структурная составляющая с ярко выраженным эвтектическим строением резко отличает микроструктуру сплава Б16.

Баббит Б16 применяют как заменитель баббита Б83 для вкладышей подшипников, электродвигателей, паровых турбин, не испытывающих ударных нагрузок. По сравнению с оловянными баббитами свинцовые обладают большим коэффициентом трения. Они более хрупки, так как в них мягкой составляющей является достаточно хрупкая эвтектика.

Задание №5.

Опишите способы получения, свойства и применение указанного в таблице материала.

№ вар.	Материал
20	Ситаллы

Ситаллы — стеклокристаллические материалы, полученные объёмной кристаллизацией стекол и состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределённых в стекловидной фазе.

Свойства ситаллов определяются свойствами как кристаллических, так и стекловидной фаз. Например, ситаллы, содержащие муллит, имеют повышенную жаропрочность и хорошие электроизоляционные свойства; если в качестве кристаллической фазы ситалл содержит b-сподумен, то он может иметь низкий (нулевой и даже отрицательный) температурный коэффициент расширения. Ситалл характеризуются отсутствием пористости, нулевыми водопоглощением и газопроницаемостью, высокой термостойкостью, малой теплопроводностью. Плотность ситаллов составляет 2400—2700 кг/м3, прочность на изгиб 100—200 Мн/м2, прочность на сжатие 500—1000 Мн/м2. Ситаллы — хорошие диэлектрики. Большинство их непрозрачны, но существуют ситаллы, в которых размеры кристаллов малы по сравнению с длиной волны в видимой части спектра. Такие ситаллы прозрачны, и их интегральное пропускание при толщине 10 мм достигает 70—80%. Свойства ситаллов не изменяются при длительном хранении.

Получение. Подбором состава стекла, содержащего в большинстве случаев добавки, ускоряющие объёмную кристаллизацию (катализаторы, нуклеаторы), можно спроектировать соответствующие кристаллические и стекловидную фазы. Кристаллы спроектированных фаз возникают и растут равномерно по всему объёму в результате термической обработки. Технология производства изделий из ситаллов незначительно отличается от производства изделий из стекла. В некоторых случаях изделия можно формовать методами керамической технологии . Иногда для зарождения кристаллов в состав стекла вводят фоточувствительные добавки. Для производства отдельных видов ситаллов используют шлаки. Существуют литиевые, борно-бариевые, магниевые, титановые и другие ситаллы.

Применение. Ситаллы применяются для изготовления деталей, требующих прочности и термостойкости (корпуса приборов, шкалы, образцовые меры, подложки микросхем и др.). Являются перспективными строительными и конструкционными материалами (обтекатели ракет и сверхзвуковых управляемых снарядов, химически стойкая аппаратура, мостостроительные конструкции и др.).

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2.

Задание №1.

Вычертите диаграмму состояния системы. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов.

№ вар.	Диаграмма состояния системы
20	Алюминий-германий

Диаграмма состояния ?l—Ge является диаграммой эвтектического типа.

Промежуточные фазы не образуются. Она характеризуется эвтектическим превращением при температуре 424 °С с эвтектической точкой при содержании 30,3 % Ge.

Дальнейшие исследования не внесли каких-либо существенных изменений в изображении фазовых равновесий. Используя высокочистые материалы, содержащие 99,999 % (по массе) А1, 99,999 % (по массе) Ge, температура эвтектики была определена равной 415,5 °С.

Эвтектика кристаллизуется при содержании 28,4 % (ат.) При давлении 2 ГПа образование эвтектики происходит при концентрации 43,4 % (ат.) Geи температуре 440 °С.

По результатам рентгеновского анализа максимальная растворимость Geв (А1) равна -2,8 % (ат.) . С понижением температуры растворимость Geв (А1) уменьшается.

При температурах 395, 294 и 177 °С она составляет 1,97, 0,55 и 0,2 % Ge, соответственно. Методом обратного рассеивания ионов определена растворимость Geв тонком слое (А1) толщиной 100—600 нм, которая составляет 0,034; 0,034; 0,056; 0,176; 0,77; 0,78; 1,45 % Ge при температурах 120, 160, 205, 250, 310, 350 и 395 °С, соответственно .

По данным рентгеновского, микроструктурного анализов, измерения микротвердости и удельного электросопротивления максимальная растворимость Geв (А1) под действием высокого давления 2 ГПа увеличивается от 2,8 до 7,3 % Ge. При давлении ~7 ГПа и температуре 400 °С она может достигать -18 % Ge.

Солидус системы А1—Ge в области, богатой Ge, имеет ретроградный характер. растворимость А1 в (Ge) при температуре 925, 900, 675, 500, 300 °С составляет 0,17; 0,43; 0,97; 0,92; 0,63 % . Согласно результатам микроструктурного анализа и измерения микротвердости максимальная растворимость А1 в (Ge) при эвтектической температуре составляет 1,2 %; ретроградный характер измерения растворимости не обнаружен

Задание №2.

Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграмм, опишите превращения и постройте кривую нагревания или охлаждения (в зависимости от задания) в указанном интервале температур (с применением правила фаз) для сплава, содержащего данное в таблице количество углерода. Для заданного сплава выберите любую температуру, лежащую между линиями ликвидуса и солидуса, и определите: состав фаз, т.е. процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношение фаз. Определите процентное содержание углерода в фазах при температуре, указанной в таблице.

№ вар.	Кривая	Интервал температур, С	Количество углерода, %	Температура, С
20	Охлаждения	1600-0	1,6	1230

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в ?-железе (?-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием ? (?)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в ?-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР_4,3Л[А_2,14+Ц_6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических — аустенит + ледебурит, эвтектических — ледебурит и заэвтектических — цементит (первичный) + ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении ?-железа в ?-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_0,8 -> П[Ф_0,03+Ц_6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит + цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727?С имеют структуру феррит + перлит и заэвтектоидные – перлит + цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727?С при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727?С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727?С состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727?С состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф, где С – число степеней свободы системы; К – число компонентов, образующих систему; 1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях); Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Определим для заданного сплава при температуре 1300^оС состав фаз.

Для определения состава фаз, лежащего между линиями ликвидус и солидус, нужно провести через данный температурных уровень линию, параллельную оси концентрации до пересечения с линиями ликвидус и солидус. Тогда проекция точки пересечения этой линии с ликвидусом на ось концентрации укажет количество углерода в жидкой фазе

(т.е. 3% С), точка пересечения с линией солидус - в составе твердой фазы (1,2% С).

Количественное соотношение фаз определяем по формулам:

При температуре 1300^оС, mn = 3-1,2=1,8 mx = 1,6-1,2=0,4, xn = 3-1,6=1,4, т.е

При температуре 1230^оС количество углерода в жидкой фазе – 3,6% С, в составе твердой фазы 1,55% С.

Задание №3.

Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали. Нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение заданной в таблице твердости. Укажите, как этот режим называется, опишите сущность превращений и какая структура получается в данном случае.

№ вар.	Класс стали	Значение твердости, HRC
20	Заэвтектоидная	43-46

В заэвтектоидных сталях, в отличие от эвтектоидных, в интервале температур А1–А3 сначала выделяются избыточные фазы — избыточный цементит, на диаграмме изотермического распада аустенита для этих сталей характерно появление дополнительной кривой, характеризующей начало выделения соответствующих избыточных фаз.

Бейнит (игольчатый троостит) — смесь высоуглеродистого феррита и цементита. Его твердость — 40 — 55 HRC.

Твердость бейнита возрастает с понижением температуры превращения. Бейнит, образующийся при более низкой температуре (близкой к точке Мн), по сравнению с сорбитом и трооститом имеет более высокую твердость и проч­ность при сохранении пластичности.

Режим изотермической обработки, обеспечивающий получение твердости 43-46 HRC называется закалкой.

При закалке заэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30—50° выше нижней критической точки Ас1 [Ас1 + (30—50°)], т. е. выше линии SK диаграммы железо — цементит. Так как эта линия горизонтальная и соответствует температуре 727° С, для заэвтектоидной стали можно указать интервал температуры нагрева для закалки 760—790° С. При таком нагреве перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной, структура состоит из аустенита и цементита. После охлаждения со скоростью больше критической аустенит превращается в мартенсит.

Структура закаленной стали состоит из мартенсита и цементита. Наличие в структуре закаленной заэвтектоидной стали кроме мартенсита еще и цементита повышает твердость и износостойкость стали.

Время выдержки исчисляется с момента достижения деталями заданной температуры и так же, как и время нагрева, зависит от многих факторов, влияющих на процессы растворения и структурных превращений, происходящих в стали.

Например, для нагрева, включая и выдержку, круглых деталей из углеродистых сталей при закалке рекомендуются следующие нормы времени: в пламенной печи — 1 мин на 1 мм сечения; в соляной ванне — 0,5 мин на 1 мм сечения. Время нагрева деталей из легированной стали увеличивается на 25—50%.

Охлаждение. Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывает решающее влияние на результат закалки.

В связи с тем что быстрое охлаждение необходимо только в интервале наименьшей устойчивости аустенита, а при дальнейшем понижении температуры, особенно в мартенситном интервале, быстрое охлаждение не только не нужно, но и нежелательно, наилучшей закалочной средой является та, которая быстро охлаждает в интервале температур 550—650° С (область температур наименьшей устойчивости аустенита), а также в области бейнитного превращения (350—500° С) и медленно — ниже 200—300° С (область температур мартенситного превращения).

Наиболее распространенными закалочными средами являются вода, водные растворы солей, щелочей и кислот, масло, воздух, расплавленные соли.

При охлаждении в воде и масле, температура кипения которых ниже температуры охлаждаемых в них деталей, скорость охлаждения различна в начальном, среднем и конечном периодах охлаждения и подразделяется на три стадии: стадия пленочного кипения, стадия пузырчатого кипения, стадия конвективного теплообмена.

Стадия пленочного кипения характеризуется образованием вокруг охлаждаемой детали паровой пленки, отделяющей раскаленную поверхность от всей массы жидкости, и поэтому скорость охлаждения на данной стадии сравнительно невелика. Пленочное кипение устойчиво при высоких температурах охлаждаемой поверхности.

Стадия пузырчатого кипения наступает при более низких температурах охлаждаемой поверхности, когда паровая пленка разрушается, создается непосредственный контакт жидкости с деталью; при кипении жидкости возникают многочисленные пузырьки пара, которые, отрываясь, уносят значительное количество тепла, в связи с чем охлаждение происходит с большой скоростью.

Стадия конвективного теплообмена наступает при понижении температуры поверхности ниже температуры кипения жидкости. Скорость теплоотвода в этой стадии низка и охлаждение протекает с небольшой скоростью.

Вода охлаждает гораздо быстрее, чем масло: в 6 раз быстрее при 550—650° С и в 28 раз быстрее при 200° С. Поэтому вода применяется для охлаждения сталей с большой критической скоростью закалки (углеродистых сталей), а в масле охлаждают стали с малой критической скоростью закалки (детали из легированных сталей или высокоуглеродистых сталей при тонких сечениях).

Основным недостатком воды как охладителя является высокая скорость охлаждения при пониженных температурах в области образования мартенсита, что приводит к возникновению больших структурных напряжений и создает опасность возникновения трещин. При нагреве воды ее закаливающая способность снижается в области высоких температур (550—650° С), а скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения остается высокой. Поэтому охлаждение в горячей воде не уменьшает возможность образования трещин. Добавление к воде солей, щелочей и кислот значительно увеличивает ее закаливающую способность в связи с расширением интервала пузырчатого кипения (почти полностью исключается стадия пленочного кипения). Положительным является также то, что эти растворы при низких температурах в мартенситном интервале охлаждают медленнее, чем вода.

Как указано выше, масло охлаждает значительно медленнее, чем вода. Но преимущество масла как охладителя заключается в том, что вследствие повышенной температуры кипения (250— 300° С), более высокой температуры перехода от пузырчатого кипения к конвективному теплообмену оно обладает небольшой скоростью охлаждения в области температур мартенситного превращения, и поэтому при охлаждении в масле опасность образования трещин резко уменьшается. Преимуществом масла является также то, что закаливающая способность не изменяется с повышением температуры масла (до 150—200° С).

Недостатки масла — это легкая воспламеняемость, пригорание к поверхности детали; под влиянием высокой температуры охлаждаемых деталей масло постепенно начинает густеть и закаливающая способность его понижается.

Задание №4.

Дайте краткие, но достаточно полные ответы на вопросы таблицы. Приведите рисунки и графики.

№ вар.	Вопрос
20	Объясните природу хрупкого разрушения металлов и факторы, способствующие переходу металлов в хрупкое состояние.

Под разрушением понимают процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящих к разделению его на части.

Разрушение происходит в результате или развития нескольких трещин, или слияния рядом расположенных трещин в одну магистральную трещину, по которой идет полное разрушение. Разрушение может быть хрупким и вязким. Механизм зарождения трещин одинаков как при хрупком, так при вязком разрушении. Возникновение микротрещин чаще происходит благодаря скоплению движущихся дислокаций (пластической деформации) перед препятствием (границами зерен, межфазными границами, перед возможными включениями) образуя зародыш трещины. Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной к плоскости скольжения, когда плотность дислокаций достигает 10¹²-10¹³ см^-2, а касательные напряжения у вершины их скопления ~0,7G.

Вязкое и хрупкое разрушение различаются между собой по величине пластической зоны у вершины трещины. При хрупком разрушении величина пластической зоны в устье трещины мала. При вязком разрушении величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся трещины, велика, а сама трещина затупляется у своей вершины.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространение хрупкой трещины достигает 2500 м/с. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют "внезапным", или "катастрофическим" разрушением.

С точки зрения микроструктуры существует два вида разрушения - транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по границам зерен.

По внешнему виду излома отличают:

• хрупкий (светлый) излом, поверхность которого характеризуется наличием блестящих плоских участков; такой излом свойственен хрупкому разрушению;

вязкий (матовый) излом, поверхность разрушения которого содержит весьма мелкие уступы – волокна, образующие при пластической деформации зерен в процессе разрушения; этот излом свидетельствует о вязком разрушении.

Межзеренное разрушение облегчается при выделении по границам зерен частиц хрупкой фазы. Одни и те же (по составу) сплавы в зависимости от предшествующей о работки и метода испытания могут вязкими и хрупкими.

Многие металлы ( железо, молибден, вольфрам, цинк и др.) имеющие ОЦК и ГПУ кристаллические решетки, в зависимости от температуры могут разрушаться как вязко, так и хрупко. Понижение температуры обуславливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление получило название хладноломкость. Чем выше скорость деформации, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению. Все концентраторы напряжений способствуют хрупкому разрушению.

С увеличением остроты и глубины надреза склонность к хрупкому разрушению возрастает. Чем больше размеры изделия, тем больше вероятность хрупкого разрушения (масштабный фактор).

Задание №5.

Дайте полные ответы на практические вопросы следующего задания, приведенные в таблице.

№ вар.	Вопрос
20	С какой целью применяется отжиг после наклепа холоднокатаных изделий из стали МСт.3. Назначьте режим отжига.

Рекристаллизационный отжиг.

Рекристаллизационному отжигу подвергают сталь, деформированную в холодном состоянии. Наклеп может оказаться столь большим, что сталь становится мало пластичной и дальнейшая деформация становится невозможной. Для возвращения стали пластичности и возможности дальнейшей деформации изделия проводят рекристализационный отжиг.

При нагреве холоднодеформированной (наклепанной) стали до температуры 400—450 °С изменений в строении стали не происходит, механические свойства изменяются незначительно и только снимается большая часть внутренних напряжений. При дальнейшем нагреве механические свойства стали резко изменяются: твердость и прочность понижаются, а пластичность повышается.

Это происходит в результате изменения строения стали. Вытянутые в результате деформации зерна становятся равноосными. Рекристаллизация начинается с появления зародышей на границах деформированных зерен. В дальнейшем зародыши растут за счет деформированных зерен, в связи с чем происходит образование новых зерен, пока деформмированных зерен совсем не останется.

Под температурой рекристаллизации подразумевается температура, при которой в металлах, подвергнутых деформации в холодном состоянии, начинается образование новых зерен.