ПОлный комплек (Шпаргалки), страница 8

Рис. 9.2. Зависимость темпе­ратуры начала (М_н) и конца (MJ мартенситного превра­щения от содержания угле­рода в стали

Термокинетическая диаграмма - важная характеристика, позволяющая предсказывать вид фазового превращения и возможную структуру стали в зависимости от скорости ее охлаждения. Итак, при охлаждении стали со скоростью, большей Vкр.- неравновесная фаза - пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fе(альфа). Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали (примерно 5000м/с). Их росту препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита. Происходит закономерная перестройка решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающие межатомные. При этом перестройка происходит по тем кристаллографическим плоскостям исходной модификации, которые по строению одинаковы, а по параметрам близки к определенным плоскостям кристаллической решетки образующей фазы, т.е. выполняется принцип структурного и размерного соответствия. Для мартенситного превращения характерно, что растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы (соприкасаются по той поверхности кристалла, которая является общей для их кристаллических решеток). При нарушении когерентности решеток интенсивный упорядоченный переход атомов из аустенита в мартенсит становится невозможным, и рост кристалла мартенсита прекращается. Мартенсит имеет тетрагональную пространственную решетку. Свойства мартенсита сталей

от количества растворенного в нем углерода. Мартенсит имеет очень высокую твердость, равную или превышающую 60HRC, при содержании углерода, большем 0.4%. С увеличением количества углерода возрастает хрупкость мартенсита. Мартенситное превращение в сталях сопровождается заметным увеличением объема, меняются и другие физические свойства стали.

Рис. 9.1. Термокинетаческая диаграмма стали 45

Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке: опти­мальной является температура нагрева, превышающая точку /Цrfa 30...50°С Заэвтектоидные стали подвергают неполной закал­ке: оптимальной является температура нагрева, превышающая точку Af. на 30...50°С зависят (рис. 9.4). При неполной закалке заэвтектоидной стали в структуре сохраняется цементит, который по­вышает твердость и износостойкость. Неполная закалка для до-эвтектоидной стали не рекомендуется, так как зерна избыточ­ной фазы феррита понижают твердость стали. Для получения однородного аустенита к моменту охлаждения при закалке нуж­на определенная выдержка.

Рис. 9.4. Оптимальные температуры нагрева под закалку для довтектоиндных и заэвтектоидных сталей: Ф - Феррит, А - аустеннт; Цц - вто­ричный цементит; П — перлит

2)Сравнительная характеристика антифрикционных материалов: баббитов, бронз, алюминиевых сплавов, многослойных подшипников.

Антифрикционные материалы (пористость 15... 30 %), широко применяющиеся для изготовления подшипников скольжения, представляют собой пористую основу, пропитанную маслом. Масло поступает из пор на поверхность, и подшипник становится самосмазывающимся, не требуется подводить смазку извне. Это существенно для чистых производств (пищевая, фармацевтическая отрасли). Такие подшипники почти не изнашивают поверхность вала, шум в 3... 4 раза меньше, чем от шариковых подшипников.

Подшипники работают при скоростях трения до 6 м/с при нагрузках до 600 МПа. При меньших нагрузках скорости скольжения могут достигать 20...30 м/с. Коэффициент трения подшипников - 0,04... 0,06.

Для изготовления используются бронзовые или железные порошки с добавлением графита (1... 3 %). Разработаны подшипниковые спеченные материалы на основе тугоплавких соединений (боридов, карбидов и др.), содержащие в качестве твердой смазки сульфиды, селениды и гексагональный нитрид бора. Подшипники могут работать в условиях вакуума и при температурах до 500°С.

Применяют металлопластмассовые антифрикционные материалы: спеченные бронзографиты, титан, нержавеющие стали пропитывают фторопластом. Получаются коррозионностойкие и износостойкие изделия. Срок службы металлопластмассовых материалов вдвое больше, чем материалов других типов.

Фрикционные материалы (пористость 10... 13 %) предназначены для работы в муфтах сцепления и тормозах. Условия работы могут быть очень тяжелыми: трущиеся поверхности мгновенно нагреваются до 1200°С, а материал в объеме - до 500... 600°С. Применяют спеченные многокомпонентные материалы, которые могут работать при скоростях трения до 50 м/с на нагрузках 350.. .400 МПа. Коэффициент трения при работе в масле - 0,08.. .0,15, при сухом трении - до 0,7.

По назначению компоненты фрикционных материалов разделяют на группы:

а) основа - медь и ее сплавы - для рабочих температур 500... 600°С, железо, никель и
сплавы на их основе - для работы при сухом трении и температурах 1000... 1200°С;

б) твердые смазки - предотвращают микросхватывание при торможении и
предохраняют фрикционный материал от износа; используют свинец, олово, висмут,
графит, сульфиты бария и железа, нитрид бора;

в) материалы, обеспечивающие высокий коэффициент трения - асбест, кварцевый
песок, карбиды бора, кремния, хрома, титана, оксиды алюминия и хрома и др.

Примерный состав сплава: медь - 60... 70 %, олово - 7 %, свинец - 5 %, цинк -5... 10%, железо - 5... 10 %, кремнезем или карбид кремния - 2... 3 %, графит - 1... 2 %.

Из фрикционных материалов изготавливают тормозные накладки и диски. Так как прочность этих материалов мала, то их прикрепляют к стальной основе в процессе изготовления (припекают к основе) или после (приклепывают, приклеивают и т.д.).

Билет 16

1)Самопроизвольная и несамопроизвольная кристаллизация. Критический размер зародыша. Способы измельчения зерна литого металла. Строение слитков.

Первичная кристаллизация – переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры.

Вторичная кристаллизация – образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе.

Процесс кристаллизации – зарождение и рост кристаллов.

Самопроизвольная кр. обусловлена стремлением вещества иметь более устойчивое состояние, характеризуемое уменьшением термодинамического потенциала G. Температура, при кот. Термодинамические потенциалы вещества в твердом и жидком состояниях равны, называется равновеной температурой кристаллизации. Кристаллизация проходит в том случае, если термодин. Потенциал вещества в твердом состоянии будет меньше термодинам. Потенциала вещества в жидком состоянии, т.е. при переохлаждении жидкого металла до темеператур ниже равновесной.

Самопроизвольная кристаллизация – процесс, который происходит в веществах под действием естественных механизмов без посторонних вмешательств. Формула F_св = U – TS означает, что для каждого агрегатного состояния может быть написано уравнение, определяющее изменение внутренней энергии в зависимости от температуры.

При высоких температурах по принципу минимальной свободной энергии энергетически более выгодно жидкое агрегатное состояние, при низких – твердое.

T₀ – теоретическая температура кристаллизации – температура, при которой уровни свободной энергии жидкости и твердого состояния одинаковы. При температуре кристаллизации вещество находится в безразличном состоянии. 0⁰С – теоретическая температура кристаллизации воды. Для начала кристаллизации необходимо, чтобы T_д<T₀, где T_д – действительная температура начала кристаллизации.

Важнейшая характеристика процесса кристаллизации – степень переохлаждения: T = T₀ – T_д. Начало кристаллизации при T<T₀ сопровождается образованием внутри жидкости мельчайших зародышей кристаллов, то есть небольших групп атомов, располагающихся фиксировано друг относительно друга и образующих кристаллическую решетку.

При образовании кристаллической решетки происходят следующие процессы:

1) Уменьшение свободной энергии при T<T₀ за счет образования кристаллической решетки, так как кристаллообразное состояние более выгодно.

2) Увеличение свободной энергии за счет образования поверхности раздела между жидкостью и кристаллом. Возникновение поверхности натяжения. Устойчивым будет тот кристалл, для которого уменьшение свободной энергии больше чем ее увеличение.

r_кр – критический радиус кристалла.

r_кр1 < r_кр2 означает, что при некоторой температуре T₂ начальный объем зародыша должен быть больше, следовательно вероятность его самопроизвольного развития меньше. Чем меньше степень переохлаждения, тем меньше зародышей кристаллов образуется в единице объема жидкости за единицу времени.

З ависимость числа зародышей кристаллов и скорости их роста от степени переохлаждения.

Чем больше T = T₀ – T_д, тем меньше T_д. При T₁ – число зародышей мало, скорость роста отлична от нуля. В результате кристаллы вырастают до крупных размеров. При T₂ – число зародышей резко возрастает, скорость роста увеличивается, но кристаллы из-за большого количества не успевают вырасти до крупных размеров (структура из мелких кристаллов).

Чем мельче кристаллы в структуре металла, тем выше прочность и твердость, меньше пластичность. Для малых объемов металла T можно изменять за счет изменения скорости охлаждения.

Для крупных слитков это неприемлемо, так как внутренние слои слитка будут охлаждаться с малой скоростью. Если охлаждать слиток снаружи, то обнаружится существенная неоднородность структуры слитка.

При охлаждении слитка возникает существенная разность температур, которая приводит к возникновению дендритных кристаллов (древовидные кристаллы). Они имеют оси, вызывающие сильную неоднородность свойств металла. Наличие крупных дендритных кристаллов является литейным браком.

Несамопроизвольная кристаллизация – происходит при температурах ниже T₀ с участием специальных веществ. Они влияют на размер и форму кристалла и называются модификаторы. Процесс влияния – модифицирование.

Выделяют два вида модификаторов объемные и поверхностные. Объемные модификаторы создают дополнительные центры кристаллизации. Тугоплавкие металлы в виде мелкодисперсного порошка. Необходимо, чтобы металл имел аналогичные кристаллические решетки и атомные параметры. Для железа модификатор – вольфрам. Поверхностные модификаторы уменьшают скорость роста кристаллов, изменяют поверхностную энергию на границе кристалл-жидкость. Атомы модификатора прилипают к поверхности кристалла, новые кристаллы не растут. В качестве модификатора используются неметаллы с малой атомной массой. Для железа модификатор – бор. Модификаторы позволяют улучшить структуру металла и управлять размерами и формой кристаллов.

Строение слитков.

р асположенных нормально к стенкам формы. Наконец, в середине слитка, гле наблюдается наименьшая степень переохлаждения и не ощущается направленного отвода теплоты, образуются равноосные кристаллы больших размеров.

2)Конструкционные материалы малой плостности: алюминевые деформируемые сплавы упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой, их состав, марки и применение.

Материалы с малой плотностью (легкие материалы) широко используются в авиации, ракетной и космической технике, а также в автомобилестроении, судостроении, строительстве и других отраслях промышленности.

Алюминий – металл серебристо-белого цвета. Он не имеет полиморфных превращений и кристаллизуется в решетке ГЦК с периодом a=0.4041нм.

Алюминий обладает малой плотностью, хорошими теплопроводностью и электрической проводиостью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Примеси ухудшают все эти свойства алюминия.

Постоянные примеси алюминия – Fe, Si, Cu, Zn, Ti.

В зависимости от содержания примесей подразделяют на три класса:

1) особой чистоты А999 (<= 0.001% примесей); 2) высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (0.005 – 0.05% примесей) и технической чистоты А85, А8 и др. (0.15 – 1% примесей). Технический маркируют – АД0 и АД1.

В виду низкой прочности алюминий применяют для ненагруженных деталей и жлементов конструкций, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичность. (рамы, двери, трубопроводы, фольга, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуда ит.д.). Высокая электрическая проводимость – широкое применение для конденсаторов, проводов, кабелей, шин и т.п. Высокая отражательная способность – прожекторы, рефлекторы, экраны телевизоров. Имеет малое эффективное поперечное сечение захвата нейтронов, хорошо обрабатывается давлением, сваривается газовой и контактной сваркой, плохо обрабатывается резанием. Имеет большую усадку при затвердевании (6%).Высокая теплота плавления и теплоемкость способствуют медленному остыванию алюминия из жидкого состояния, что дает возможность улучшать отливки из алюминия и его сплавов путем модифицирования, рафинирования и других технологических операций.