Контрольная работа по "Материаловедению"

        1.Опишите принципы классификации легированных  сталей.

Чрезвычайное разнообразие легированных сталей требует их подразделения  на классы по тем или иным признакам.

        Кроме известного разделения легированных сталей по их химическому составу и по способу выплавки (кислая и основная электросталь, основная и кислая мартеновская сталь), отметим классификации, основанные на следующих признаках:

1) по структуре (состоянию), получаемой при ускоренном охлаждении - на воздухе, т. е. после нормализации;

 

2) по структуре, получаемой  при медленном охлаждении (в равновесном  состоянии);

 

3) по назначению (применению).

 

Классификация по структуре, получаемой при охлаждении на воздухе. Эта классификация основывается на увеличении закаливаемости сталей по мере повышения в них содержания легирующих элементов.

       Представим теперь, что образцы (одного и того же размера) сталей А, Б и В, нагретые до состояния аустенита, охлаждаются до атмосферной температуры на воздухе.

Lg времени. Это значит, что в стали  будет образовываться сорбит или троостит закалки с пластинчатым строением цементита, подобно пластинчатому перлиту. Охлаждение стали Б с той же скоростью приведет к получению мартенсита, так как здесь кривая пересечет диаграмму изотермических превращений данной стали ниже линии М, т. е. в области мартенситного распада.

Наконец, у стали В  переохлажденный аустенит имеет  наибольшую устойчивость и при атмосферной  температуре не распадается совершенно, а мартенситная точка М у этой стали лежит ниже нормальной температуры.

Другими словами, охлаждение на воздухе стали В приведет к  получению устойчивого при атмосферной  температуре аустенита. Таким образом, при одной и той же скорости охлаждения (на воздухе), по мере увеличения в составе стали легирующих элементов, могут быть получены различные структуры и состояния стали: при небольшом содержании легирующих элементов - перлитообразные структуры различной дисперсности (перлит, сорбит, троостит), при большем - мартенсит и, наконец, аустенит.

С повышением в составе  стали углерода содержание необходимого легирующего элемента для получения того или иного состояния и структуры может быть меньше, так как углерод также несколько способствует повышению устойчивости переохлажденного аустенита.

        На этих принципах и построена классификация стали по структуре, получаемой при охлаждении на воздухе, предложенная французским ученым Гийе. По этой классификации сталь разделяют на три основных класса: аустенитный, мартенситный и перлитный. Для определения принадлежности стали к тому или иному классу ее в виде образцов толщиной 15-20 мм нагревают до состояния аустенита и затем охлаждают на воздухе.

Если испытуемая сталь  приобретает структуру аустенита  или мартенсита, ее соответственно относят к аустенитному или мар-тенситпому классу. К перлитному классу по этой классификации относят условно сталь, которая в результате охлаждения на воздухе испытывает любое диффузионное превращение аустенита, т. е. приобретает структуру перлита, сорбита или троостита-закалки.

         Гийе привел также диаграммы,, которые приблизительно показывают, при каких составах, т. е. количестве углерода и легирующих элементов, можно получать.

Здесь видно, что при  наименьших добавках никеля и соответствующем  содержании углерода сначала получаются стали перлитного класса, с дальнейшим повышением содержания никеля - стали мартенситного класса, а при наибольшем содержании никеля - аустенитного класса.

Так как всегда возможны и такие состояния, когда наряду с мартенситом наблюдается аустенит или троостит (его мы относим к  классу перлита), то могут существовать и стали промежуточных классов мартенсито-трооститных или мартенсито-аустенитных, отмеченных также на диаграмме промежуточными полями.

Кроме трех указанных  основных классов стали, характеризуемых  по закаливаемости, т. е. структуре, получаемой при охлаждении на воздухе, Гийе установил еще четвертый так называемый карбидный класс для стали, легированной карбидообразующими элементами. Условным признаком его является уже не основная структура охлажденного образца, а присутствие значительного количества легированных карбидов, которые могут образоваться лишь при наличии в стали большого количества карбидообразующих элементов и углерода.

Наконец, в легированной стали может содержаться значительное количество элементов, замыкающих область 7-твердых растворов (группа хрома, § 129). При пониженном содержании в стали углерода (углерод расширяет область 7) может оказаться, что в стали будут отсутствовать аллотропические превращения, и сталь при любых температурах до расплавления будет находиться в состоянии а, т. е. представлять легированный феррит. Такие стали составляют класс, называемый ферритным.

        Итак, легированную сталь по структуре и состоянию, получаемому при охлаждении на воздухе, делят на пять классов: перлитный, мартенсит-ный, аустенитный, ферритный, карбидный.

Классификация легированных сталей по структуре, получаемой после  медленного охлаждения (в равновесном  состоянии). Этой классификацией предусматривается  разделение на классы: доэвтектоидный, заэвтек-тоидный, ледебуритный и ферритный.

       Эта классификация подобна классификации нелегированной стали, которую, как известно, тоже разделяют на доэвтектоидную и заэвтектоидную в связи с содержанием углерода и структурой, получаемой в равновесном состоянии, соответственно диаграмме Fe-Fe3C.

        Границей, определяющей принадлежность стали к тому и другому классу, является содержание углерода в эвтектоиде (0,83%). При легировании стали, как известно, это количество углерода обычно снижается и, следовательно, граница между доэвтектоидным и заэв-тектоидным классами будет изменяться соответственно действию каждого добавляемого элемента.

 

 

 

 показывают границу между  доэвтектоидными и заэвтектоидными  сталями при добавках хрома  (а) или вольфрама (б). По мере  увеличения процента Сг или W эта граница непрерывно снижается, так что содержание углерода в эвтектоиде может доходить до 0,2% и ниже.

         Здесь же показана и другая линия , ограничивающая область заэвтектоидных сталей и представляющая смещение предельной точки насыщения аустенита (Е; см. фиг. 88) по мере увеличения количества W или Сг.

         Как известно, в простых сталях за этой точкой получаются уже белые чугуны, содержащие в структуре ледебурит.

         В легированных сталях при составах, находящихся за линией , в структуре тоже появляется ледебурит (легированный), почему класс таких сталей и называют ледебуритным.

         По структуре их следовало бы рассматривать как белые чугуны. Но так как в них обычно бывает низкое, необычное для чугуна, содержание углерода (меньше 1,7%) и по свойствам они не («ответствуют хрупкому белому чугуну,то их условно называют сталями ледебуритного класса.

         Поскольку в ледебурите содержится значительное количество карбида, класс ледебуритных сталей, по другой рассмотренной выше классификации (Гийе) должен соответствовать карбидному классу. Четвертый -ф е р р и т н ы й- класс классификации по структуре в равновесном состоянии совершенно совпадает с таким же классом по классификации Гийе; область его также располагается в левом верхнем углу диаграммы, т. е. отвечает минимальному содержанию углерода при высоком количестве легирующего элемента, расширяющего область а-железа (феррита).

        В таких сплавах, независимо от скорости охлаждения, получается зернистая структура легированного феррита, не имеющего превращений в твердом состоянии.

        Классификация по назначению. Согласно этой классификации, основанной на применении стали в практике, различается:

 

1) конструкционная сталь (машииоподелочная  и строительная), применяемая для изготовления деталей машин и механизмов, а также для различных металлических конструкций;

 

2) инструментальная сталь, применяемая  для изготовления высококачественного  режущего, ударно-штампового и мерительного  инструментов;

3) сталь с особыми физическими и химическими свойствами ив связи с этим имеющая особое специальное назначение в каждом отдельном случае.

        Сопоставляя эту классификацию с классификацией стали по Гийе, можно также отметите некоторую связь между ними. Конструкционная сталь, в подавляющем большинстве случаев, относится к перлитному классу; сталь с особыми свойствами - к аустенитному или ферритиому классу; инструментальная - чаще к карбидному классу и т. п.

 

2.Опишите явления,  происходящие в металле  при  холодном деформировании и покажите сущность процесса упрочнения. Приведите примеры применения холодного деформирования.

 

При пластической деформации металлов и сплавов структура их значительно  изменяется. Последнее приводит к  изменению физико-механических и  химических свойств деформированного металла. Если исходный литой металл имеет зерна различной формы и ориентировки (см. рис. 6.1, а), то при степени деформации 9% наблюдается начало ориентировки, отдельных зерен в направлении действия внешней силы (см. рис. 6.1,6); при повышении степени деформации до 27,% зерна еще больше вытягиваются в направлении деформирования (см. рис. 6.1, б), образуя при более высоких степенях деформации волокнистую структуру.

 Одновременно с изменением  формы зерна в процессе деформирования  происходит поворот кристаллографических осей отдельных зерен в пространстве. По мере протекания пластической деформации разница в направлении этих осей отдельных зерен уменьшается, а плоскости скольжения стремятся расположиться по направлению наиболее интенсивного течения металла. Это приводит к тому, что при значительных степенях деформации металла в холодном состоянии возникает преимущественная ориентировка кристаллографических осей зёрен поликристалла, называемая текстурой. Образование текстуры сопровождается появлением анизотропии механических и физических свойств металла.

 С увеличением степени  холодной деформации, осуществляемой при температуре ниже температуры рекристаллизации,( ниже 0,2Тпл), монотонно увеличиваются прочностные показатели металла и уменьшаются показатели пластичности (рис. 6.2), а также увеличивается электросопротивление и уменьшается коррозионная стойкость и т. д. Совокупность явлений, связанных с изменением механических и физико-химических свойств металла при холодном пластическом деформировании, называется наклёпом ( упрчнением).

Изменение механических свойств при холодном пластическом деформировании связано с увеличением сопротивления

 

смещению дислокации по мере развития деформирования вследствие пересечения и искривления плоскостей скольжения, застревания дислокаций, появления обломков зёрен в пачках скольжения и блокировки ими плоскостей скольжения и т.д.

 

 Кроме того, по плоскостям  скольжения, очевидно, значительно  увеличивается температура металла,  что приводит к выделению на  них субмикроскопических частиц  карбидов, которые блокируют сдвиги  и способствуют упрочнению металла.  Все эти факторы способствуют повышению прочности и снижению пластичности

 

 металла и приводят, к изменению его физико-механических  свойств.

 

 Вместе с тем  исследованиями установлено, что  при холодном пластическом деформировании  металлов и их сплавов при  определенных степенях де­формации, разных для различных металлов, существуют критические степени деформации, при которых наблюдаются нарушения монотонности изменения пластичности и других свойств с увеличением суммарной степени деформации благодаря протеканию так называемого явления атермического разупрочнения. Явление атермического разупрочнения имеет дислокационный характер, при котором происходит радикальная перестройка дислокационной структуры, при этом изменяется как средний размер дислокационных ячеек, так и величина вытянутых дислокационных образований.

Рис. 6.2. Влияние холодной пластической деформации на механические свойства низкоуглеродистой стали:

 

1 – HRB, 2 – σв ; 3 - δ 

 

 

 Указанное явление  прежде всего проявляется в  направлении действия максимальных касательных напряжений. Благодаря перестройке дислокационной структуры существенно увеличивается длина свободного пробега дислокации. Явление атермического разупрочнения используют при пластическом деформированни для стабилизации свойств готовой продукции.  При холодной деформации металла образуется текстура и происходит его упрочнение, в результате чего металл находится в неравновесном состоянии с повышенной свободной энергией. Наклёпанный металл стремится самопроизвольно перейти в более равновесное состояние с меньшей энергией.

 

 

Холодная объёмная штамповка.

       Штамповка без предварительного нагрева заготовки – для металлов и сплавов такой процесс деформирования соответствует условиям холодной деформации. Отсутствие окисленного слоя на заготовках (окалины) при холодной штамповке обеспечивает хорошее качество поверхности детали и достаточно высокую точность размеров, это уменьшает  объём обработки резанием или даже исключает её. Основные разновидности холодной объёмной штамповки – холодное выдавливание, холодная высадка, холодная штамповка в открытом штампе.

 

Ниже рассмотрены методы холодной обработки давлением, а  также приведён пример.