Вопрос 1 Что представляют собой твердые растворы замещения и внедрения

Вопрос 1. Что представляют собой твердые растворы замещения и внедрения? Приведите примеры.
Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента располагаются в решетке первого (растворителя), изменяя ее размеры.
Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

Рис. 1 Варианты микроструктуры сплавов, компоненты которых образуют твердые растворы.

Существуют твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения.
При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного компонента B размещаются между атомами растворителя A в его кристаллической решетке. При образовании твердых растворов замещения атомы растворенного компонента B замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.
Поскольку размеры растворенных атомов отличаются от размеров атомов растворителя, то образование твердого раствора сопровождается искажением кристаллической решетки растворителя.

Рис. 2 Твердые растворы внедрения (а), замещения (б)

Твердые растворы замещения могут быть с ограниченной и неограниченной растворимостью. В твердых растворах с ограниченной растворимостью концентрация растворенного компонента возможна до определенных пределов.
В твердых растворах с неограниченной растворимостью возможна любая концентрация растворенного компонента. Твердые растворы с неограниченной растворимостью образуются при соблюдении следующих условий: у компонентов должны быть однотипные кристаллические решетки; компоненты должны иметь близкие атомные радиусы; компоненты должны обладать близостью физико-химических свойств.
Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью на основе компонентов: Ag и Au, Ni и Cu, Mo и W.
Твердые растворы замещения с ограниченной растворимостью на основе компонентов: Al и Cu, Cu и Zn.
Твердые растворы внедрения: Fe и С.

Вопрос 2. Как и почему при холодной пластической деформации изменяются свойства металлов?
Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации. Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла.
Форма заготовки при обработке давлением изменяется под действием внешних сил вследствие пластической деформации каждого кристаллита в соответствии со схемой главных деформаций. Основное изменение формы кристаллитов состоит в том, что они вытягиваются в направлении главной деформации растяжения (например, в направлении прокатки или волочения). С повышением степени холодной деформации зерна все более вытягиваются и структура становится волокнистой.
Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение отдельных новых дислокаций, а следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом между ними взаимодействие тормозит дальнейшее их перемещение.
С увеличением степени холодной деформации показатели сопротивления деформированию (временное сопротивление, предел текучести и твердости) возрастают, а показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) падают.

Рис. 3 Микроструктура поликристаллического металла с различной степенью деформации.

Наклеп приводит к повышению прочностных характеристик и твердости, и понижению пластических.

Вопрос 3. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения при охлаждении сплава, содержащего 0.8% C. Какова структура этого сплава при комнатной температуре, и как такой сплав называется?

Рис 4 Диаграмма состояния железо-карбид железа.

Кристаллизация сплава начинается в точке 1 с образования аустенита и продолжается до точки 2. Ниже этой точки сплав охлаждается в аустенитном состоянии.
Аустенит с содержанием 0,8 % углерода на линии РSК претерпевает эвтектоидное превращение, состоящее в том, что одновременно выделяются две кристаллические фазы: феррит предельного насыщения и цементит:
Возникающая при эвтектоидном распаде аустенита смесь феррита и цементита имеет тонкопластинчатое строение (чередующиеся пластинки и Fе3С) и называется перлитом.

Рис. 5 Микроструктура сплава при комнатной температуре.

Сплав железа с углеродом, содержащий 0.8 % С, называется эвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – перлит.

Вопрос 4. С помощью диаграммы железо-карбид железа и графика зависимости твердости от температуры отпуска назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) изделий из стали 50, которые должны иметь твердость 230-250 HB. Опишите микроструктуру и свойства стали 50 после термической обработки.
Углеродистые стали подвергают закалке с целью получения мартенситной структуры. Для закалки на мартенсит необходимо нагреть изделие до аустенитного состояния, а затем, после некоторой выдержки, охладить со скоростью, превышающей критическую скорость закалки, чтобы подавить распад переохлажденного аустенита. Доэвтектоидные углеродистые стали нагревают до температур на 30..50 °С выше точки Ас3. Определим необходимую температуру закалки с помощью диаграммы железо-карбид железа.

Рис. 6 Диаграмма состояний железо-карбид железа.

Как видно из диаграммы температура точки Ас3 = 760 °С, следовательно температура закалки равна 790..810 °С. В качестве закалочной среды используем воду, поскольку она обладает высокой охлаждающей способностью, обеспечивая высокую скорость охлаждения в температурном интервале диффузионного превращения.

Рис. 7 График зависимости твердости от температуры отпуска.

По графику, изображенному на рис. 7, определяем температуру отпуска равную 550..650 °С, получая структуру сорбита отпуска. Сталь 50 после отпуска приобретает высокие пластических свойств и ударной вязкости при остаточной прочности и твердости.

Рис. 8 Микроструктура сорбита отпуска.

Таким образом, для достижения требуемой твердости проводится следующая термообработка:
Закалка при температуре 790..810 °С, с охлаждение в воде, затем высокотемпературный отпуск (550..650 °С). После данной термообработки называемой улучшением, сталь 50 приобретает структуру сорбита отпуска. Улучшение значительно увеличивает конструкционную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу пластической деформации при движении трещины и снижая температуру верхнего и нижнего порогов хладноломкости.

Вопрос 5. Сталь 40 подверглась закалке от температур 760 и 840 °С. Используя диаграмму, железо-цементит укажите выбранные температуры нагрева и опишите превращения, которые произошли при двух режимах закалки. Какому режиму следует отдать предпочтение и почему?

Рис. 9 Диаграмма состояния железо-цементит

Рассмотрим нагрев стали 40 до температуры выше критической (температура 1. 840 °С) и последующее охлаждение.
Рис. 10 Схема превращений перлита в аустенит. 1-5 – стадии превращения.

Нагрев от комнатной температуры до линии PSK не приводит к каким-либо изменениям структуры, она остается перлитной. При достижении температуры Ac1 = 727 °С начинается превращение перлита в аустенит. В ферритных участках, на границах между ферритом и цементитом, возникают зародыши новой фазы – аустенита. Кристаллическая решетка железа перестраивается из кубической объемно-центрированной в кубическую гранецентрированную: Feα → Feγ. Стимул превращения – разница в свободной энергии новой и старой фазы: при повышенных температурах γ-железо обладает меньшим запасом свободной энергии и является равновесной фазой. Превращение идет по диффузионному механизму за счет присоединения все новых атомов железа к растущему кристаллу аустенита. Цементит постепенно растворяется в образовавшихся аустенитных зернах.

Превращения аустенита при охлаждении

Рис. 11 Диаграмма превращения аустенита.

Мартенситное превращение аустенита интенсивно протекает при непрерывном охлаждении с большой скоростью в интервале температур от Мн до Мк, где индексы «н» и «к» обозначают начало и конец превращения. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы подавить возможные диффузионные процессы и образование ферритно-цементитных смесей. Минимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит превращается только в мартенсит при температуре Мн и ниже, называется критической скоростью закалки (Vкр ); при скоростях охлаждения больших Vкр образуется мартенсит – перенасыщенный твердый раствор внедрения углерода в Feα . При мартенситном превращении происходит переход γ α, однако углерод не успевает выделится из твердого раствора, а так как его растворимость в Feα значительно ниже, чем в Feγ, происходит искажение кристаллической решетки Feα и образуется тетрагональная пространственная решетка.
При нагреве до температуры 760 °С превращения происходят до стадии 4 Рис. 11, т.к. для стали 40 температура окончания фазовой перекристаллизации равна 790 °С. Вследствие сохранившегося при нагреве феррита твердость и прочность стали имеют более низкие значения по сравнению, со значениями полученными при закалке от температур выше Ас3.
По указанным выше причинам предпочтение следует отдавать закалке от температуры 840 °С.

Вопрос 6. Материалы, устойчивые к изнашиванию в условиях больших давлений и ударных нагрузок. Химический состав, термическая обработка, структура, свойства и области применения.
Стали 4ХВ2С, 5ХВ2С и 6ХВ2С образуют группу сталей повышенной вязкости. Они используются для изготовления инструмента, испытывающего при эксплуатации ударные нагрузки. Повышение вязкости достигается снижением содержания углерода и за счёт применения после закалки отпуска при более высоких температурах. В зависимости от нужной твердости отпуск осуществляют при 200..250°C (53..58 HRC) и 430..470°C (45..50 HRC).В результате образуются структуры сорбита или троостита отпуска.
Для небольших штампов могут применяться углеродистые стали У10, У11, У12. Они подвергаются закалке и низкому отпуску при 150…180°C.

Рис. 12 Микроструктура стали У10 после отпуска.

Вопрос 7. Сплавы с заданным температурным коэффициентом модуля упругости. Структура, свойства и области применения.
Сплавы системы Fe–Ni обладают малым температурным коэффициентом модуля нормальной упругости, такие сплавы называют элинвары. Они широко применяются для изготовления упругих элементов и пружин точных приборов и механизмов (пружин, камертонов, резонаторов, электромеханических фильтров). Постоянство модуля упругости обеспечивает малую температурную погрешность прибора в условиях эксплуатации.
Первым сплавом такого типа был сплав 36НХ (36 % Ni и 12 % Сг), названный элинваром. К сожалению, этот сплав имеет недостатки. Во-первых, у него низкие значения механических характеристик, которые нельзя улучшить термической обработкой, так как у сплава устойчивая однофазная аустенитная структура. Во-вторых, у него невысокая температура точки Кюри (~100 °С), что ограничивает рабочий интервал температур.

Рис.13 Структура сплава 36НХ

Впоследствии сплав начали легировать титаном и алюминием (36НХТЮ), что позволило упрочнять его термической обработкой, но еще больше снизило температуру точки Кюри. В результате термической обработки сплав теряет ферромагнитность. Его используют как сплав с хорошими упругими свойствами для пружин и упругих элементов, от которых требуются немагнитность и высокая коррозионная стойкость в агрессивных средах.
Дальнейшее распространение элинвары получили в виде сплавов железа с 5–6 % Сг и 42–44 % Ni. Термоупругий коэффициент таких сплавов близок к нулю. Повышенное содержание никеля обеспечивает более высокую температуру точки Кюри, что расширяет температурную область их применения. Для получения хороших механических свойств эти сплавы дополнительно легируют титаном и алюминием, что позволяет упрочнять их термической обработкой. Приведенные сплавы обладают хорошими антикоррозионными свойствами и, что особенно важно, малым внутренним трением.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

19 − два =

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Adblock detector