ПОлный комплек (Шпаргалки), страница 6

Рассмотрим принцип упрочняющей термической обработки стареющих сплавов на примере системы с промежу­точным соединением (рис. а). К термически упрочняемым относятся сплавы составов от точки а до

промежуточного соединения А В

^{т п}, в которых при охлаждении из твердого раствора выделяются вторичные

кристаллы A^{тB п}. При этом степень упрочнения тем выше, чем больше масса вторичных кристаллов и равновесном сплаве (рис.б).

Рассмотрим для примера сплав I состава точки С который в равновесном состоянии имеет двухфазную структуру, состоящую из кристаллов твердого раствора ^а концентрации точки а и относительно крупных вторичных кристаллов A_тB_п .Сопротивление движению дислокаций подрастает по мере уменьшения расстояний между частицами упрочняющей фазы, т. е. сплав I станет прочнее, когда и место немногочисленных крупных включений образуется большое количество мелких. Наибольшее препятствие для движения дислокаций создают включения, отстоящие друг от друга на 25-50 межатомных расстояний. В большинстве стареющих сплавов желательная дисперсная структура образуется в результате термической обработки, состоящей из двух операций закалки и старения. При закалке сплавы нагревают до температур, обеспечивающих распад вторичных кристаллов. Для рассматриваемого сплава I такой будет температура, несколько превышающая ^t (см. рис. а). Быстрым охлаждением с температуры закалки полностью подавляют процесс выделения вторичных кристаллов и в результате получают одно-

фазный сплав - перенасыщенный компонентом В твердый раствор. Перенасыщение твердого раствора относительно мало сказывается на повышении твердости и прочности, незначительно изменяется и пластичность сплавов.

Пересыщенный твердый раствор представляет собой неравновесную структуру с повышенным уровнем свободной энергии. Поэтому, как только подвижность атомов окажется достаточно большой, твердый раствор будет распадаться - начнется процесс старения. Старение, происходящее при повышенных температурах, называют искус­ственным. В сплавах на основе низкоплавких металлов старение может происходить при температуре 20-25 С в процессе выдержки после закалки; такое старение называют естественным. При старении уменьшается концентрация пересыщающего компонента в твердом растворе; этот компонент расходуется на образование выделений. Тип выделений (кристаллическая структура), их размер и характер сопряженности с решеткой твердого раствора зависят как от вида сплава, так и от условий старения т. е. от температуры и времени выдержки.

В общем случае при распаде перенасыщенных твердых растворов могут возникать образования следующих типов (они перечисляются и порядке возрастания энергии активации зарождения):

1. зоны Гинье-Престона;

2. кристаллы метастабильной фазы;

3. кристаллы стабильной фазы.

Зоны Гиньс-Престона (зоны ГП) представляют собой весьма малые
(субмикроскопические) обьемы твердого раствора с резко повышенной концентрацией
растворенного компонента, сохраняющие решетку растворителя. Скопление
растворенных атомов вызывает местное изменение периода решетки твердого раствора.
При значительной разнице в размерах атомов А и В, как это, например, наблюдается в
сплавах Al-Cu, зоны ГП имеют форму дисков, толщина которых (учитывая искажения
решетки) составляет несколько межатомных расстояний (рис. а), диаметр 10-50 нм.
Диски закономерно ориентированы относительно пространственной решетки
растворителя. При небольшом различии в атомных диаметрах компонентов, как,
например, в сплавах Al-Zn, обогащенные зоны имеют форму сфер.

Метастабильные фазы имеют иную пространственную решетку, чем твердый раствор, однако существует сходство в расположении атомов в определенных атомных плоскостях той ил иной решетки, что вызывает образование когерентной {или полу когерентной) границы раздела. Когерентная граница при некотором различии кристал­лической структуры приводит к появлению переходной зоны с искаженной решеткой (рис.,6). Для метастабильных фаз характерна высокая дисперсность, что значительно повышает сопротивление движению дислокаций.Стабильная фаза ^{т п}, имеет сложную пространственную решетку с пониженным числом элементов симметрии и е большим числом атомов в элементарной ячейке. Вторичные кристаллы со стабильной структурой в большинстве сплавов выделяются в виде достаточно крупных частиц. Значительное различие кристаллической структуры твердого раствора и стабильных кристаллов приводит к образованию некогерентной границе раздела(рис. в) и, соответственно, к минимальным искажениям решетки твердого раствора вблизи границы. Упрочнение сплава при образовании стабильных кристаллов оказывается меньшим, чем при образовании зон ГП и мета стабильных когерентных кристаллов. Кривые старения (рис.) принят строить в координатах твердость (прочность)-длительность старения (при постоянной температуре). Условно примем, что максимальное упрочнение сплава I (см. рис. 5.4) достигается при выделении зон ГП.

Т емпература tO выбрана настолько невысокой, что распада пересыщенного твердого раствора не происходит и, соответственно, не наблюдается изменения твердости (прочности) закаленного сплава. Старение при температуре tl, вызывает повышение прочности вследствие образования зон ГП; если данная температура недостаточна для того, чтобы активировать зарождение метастабильных кристаллов, то твердость (прочности) достигнет максимального значения и в дальнейшем не будет изменяться сколь угодно длительное время (рис. 5.6, сплошная линия). Если температура tl достаточная для зарождения метастабильных кристаллов, то твердость после достижения максимального значения начнет понижаться, сплав будет "перестариваться" (рис. 5.6, штриховая линия).

2)Конструкционные стали нормальной прочности: углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества и качественные стали. Состав, маркировка, упрочняющая обработка и применение.

Углеродистые стали обыкновенного качества. Допускается повышенное содержание вредных примесей, а так же газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями. Наиболее дешевые, технологичные и обладающие прочностью, достаточной для изготовления металлоконструкций различного назначения. Маркируются сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Степень раскисления обозначают в спокойных сталях - «сп», в полуспокойных - «пс», в кипящих - «кп». Для всех сталей, кроме СтО, справедлива формула: С(%)^0,07Хномер марки.

Концентрация марганца в стали Ст1 0,25-0,50%, в стали Стб 0,50-0,80%. Три марки

стали производят с повышенным содержанием марганца(0,80-1,1%), на что указывает

буква «Г» в маркировке: СтЗГпс, стЗГсп, Ст5Гпс.

Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: у кипящих - не более

0,05%, у полуспокойных - не более 0,15%, у спокойных - не более 0,30%.

Прокат подразделяют на 4 группы: сортовая сталь, листовая сталь, специальные

профили и трубы.

Углеродистые качественные стали. Характеризуются более низким, чем у сталей

обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических

включений

Маркируются двухзначными числами: 08, 10, 15, 20,..., 60, обозначающими среднее

содержание углерода в сотых долях процента.

Спокойные стали маркируются без индекса, полуспокойные и кипящие соответственно

«пс» и «кп».

Содержание кремния: в кипящих сталях не более 0,30%, в полу спокойных 0,05 - 0,17%.

Содержание марганца повышается по мере увеличения концентрации углерода от 0,25

до 0,80%.

Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на 2 подгруппы:

1. Малопрочные и высокопластичные.

2. Цементуемые - стали 15, 20, 25. Предназначены для деталей небольшого размера, от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностный слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском.

Среднеуглеродистые стали 30,..., 55 отличаются большей прочностью, но меньшей

пластичностью, чем низкоуглеродистые. Их применяют после улучшения,

нормализации и поверхностной закалки. В улучшенном состоянии - достигаются высокая ударная вязкость, пластичность и малая чувствительность к концентраторам напряжений.

Билет 12

1)Диаграмма состояния двойных сплавов с промежуточной фазы постоянного состава. Фазовый и структурный анализ. Механические свойства в зависимости от состава (правило Курнакова)

Диаграмма состояния представлена на рис.

По внешнему виду диаграмма похожа на диаграмму состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Отличие в том, что линии предельной растворимости компонентов не перпендикулярны оси концентрации. Появляются области, в которых из однородных твердых растворов при понижении температуры выделяются вторичные фазы.

На диаграмме:

• df - линия переменной предельной растворимости компонента В в компоненте А;

• ек - линия переменной предельной растворимости компонента А в компоненте В. Кривая охлаждения сплава I представлена на рис. 5.7 6.

Рис. 5.7. Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии (а) и кривая охлаждения сплава (б)

Процесс кристаллизации сплава I: до точки 1 охлаждается сплав в жидком состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают образовываться центры кристаллизации твердого раствора . На участке 1-2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся температуре. При достижении температуры соответствующей точке 2, сплав затвердевает, при дальнейшем понижении температуры охлаждается сплав в твердом состоянии, состоящий из однородных кристаллов твердого раствора а. При достижении температуры, соответствующей точке 3, твердый раствор ^ оказывается насыщенным компонентом В, при более низких температурах растворимость второго компонента уменьшается, поэтому из ^ -раствора начинает выделяться избыточный компонент в виде кристаллов ₂. За точкой 3 сплав состоит из двух фаз: кристаллов твердого раствора от и вторичных кристаллов твердого раствора А? .Так как вид диаграммы, также как и свойства сплава, зависит от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава, то между ними должна существовать определенная связь: правило Курнакова.

1. При образовании механических смесей свойства изменяются по линейному закону.

2. При образовании твердых растворов с неограниченной растворимостью свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости,

3. При образовании твердых растворов с ограниченной растворимостью свойства в интервале концентраций, отвечающих однофазным твердым растворам, изменяются по криволинейному закону, а в двухфазной области - по линейному закону.

4. При образовании химических соединений концентрация химического соединения
отвечает максимуму на кривой. Эта точка перелома, соответствующая химическому соединению, называется сингулярной точкой.

2)Износостойкие материалы, применяемые в условиях абразивного изнашивания, высоких удельных давлений, кавитации. Состав, марки, свойства.

Билет 13