Контрольная работа по "Технологии металлов и судоремонта"

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

 

Кафедра технологии металлов и судоремонта

 

 

 

Контрольная работа.

 

                                                                       

 

Выполнил:

 

 

 Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

Мурманск 

9.  Условия  кристаллизации

Переход металла из жидкого состояния  в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей энергией Гибба (свободной энергией) G, т. е. когда энергия Гиббса кристалла меньше, чем энергия Гиббса жидкой фазы. Если превращение происходит с небольшим изменением объема, то G = Е - TS, где Е — полная энергия (внутренняя энергия фазы), Т — абсолютная температура, S — энтропия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изменение энергии Гиббса металла  в жидком и твердом состоянии в зависимости от температуры показано на рис. 18. Выше температуры Т_п более устойчив жидкий металл, имеющий меньший запас свободной энергии, а ниже этой температуры устойчив твердый металл. При температуре Т_п значения энергий Гиббса металла в жидком и твердом состояниях равны. Температура Т_п соответствует равновесной температуре кристаллизации (или плавления) данного вещества, при которой обе фазы (жидкая и твердая) могут сосуществовать одновременно. Процесс кристаллизации при этой температуре еще не начинается. Процесс кристаллизации развивается, если созданы условия, когда возникает разность энергий Гиббса AG, образующаяся вследствие меньшей энергии Гиббса твердого металла по сравнению с жидким.

Следовательно у процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Т_п. Разность между температурами Т_п и Т_к, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения:

Т =Т – Т

Термические кривые, характеризующие  процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью, показаны рис. 19. При очень медленном  охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной Т_п (рис. 19, кривая ). На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые  ,  ) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации. Чем чище жидкий металл, тем более он склонен к переохлаждению. При затвердевании очень чистых металлов степень переохлаждения  T может быть очень велика, Однако чаще степень переохлаждения не превышает 10—30

Процесс кристаллизации, как  впервые установил Д. К. Чернов, начинается с образования кристаллических  зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста  их числа и размеров.

 

21. Диаграммы состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (III рода).

а - диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии; б - кривые охлаждения типичных сплавов

1. Количество компонентов: К  = 2 (компоненты А и В); 
2. Число фаз: f = 3 (жидкая фаза и кристаллы твердых растворов α (раствор компонента В в компоненте А) и β (раствор компонента А в компоненте В)); 
3. Основные линии диаграммы: 
линия ликвидус acb, состоит из двух ветвей, сходящихся в одной точке; 
линия солидус аdcfb, состоит из трех участков; 
dm – линия предельной концентрации компонента В в компоненте А; 
fn – линия предельной концентрации компонента А в компоненте В.  
4. При концентрации компонентов, не превышающей предельных значений (на участках Am и nB), сплавы кристаллизуются аналогично сплавам твердым растворам с неограниченной растворимостью. При концентрации компонентов, превышающей предельные значения (на участке dcf), сплавы кристаллизуются аналогично сплавам механическим смесям. 
5. Сплав с концентрацией компонентов, соответствующей точке С, является эвтектическим сплавом. Сплав состоит из мелкодисперсных кристаллов твердых растворов α и β, эвт. (кр. тв. р-ра  α + кр. тв. р-ра β).  
Кристаллы компонентов в чистом виде ни в одном из сплавов не присутствуют.

Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы  состояния.

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. Эта зависимость установлена  Курнаковым.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 - твердость, 2 –  электропроводность.

 

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. Причем крайние точки на прямой являются свойствами чистых фаз, предельно насыщенных твердых растворов, образующих данную смесь.

31. С какой целью легируют низколегированные инструментальные стали?

 

Сталь - сплав железа с углеродом (до 2, 14 % С). По химическому составу  сталь разделяют на углеродистую и легированную.

Легированными называют стали, в которые  для получения заданных свойств специально вводят легирующие элементы или повышают процентное содержание одной или нескольких нормальных примесей (или S или P в совокупности с Mn или Si). Легирующие элементы – специально вводимые в сталь элементы с целью улучшения или изменения её свойств. То есть если нормальных примесей содержится более того, что дано «по условию» то эти элементы являются легирующими, а не постоянными примесями. Основные цели легирования – 1) повышение механических свойств (твердость прочность пластичность вязкость), или придания особых свойств – коррозионная стойкость, жаропрочность, износоустойчивость, и т.д. и т.п.. 2) Улучшение технологических свойств – увеличение прокаливаемости, снижение чувствительности к перегреву и улучшения обрабатываемости. Влияние легирующих элементов на свойство сталей обусловлено видом их взаимодействия с основными компонентами – С и Fe.

Легирующие элементы вводятся в  сталь в различных количествах  и в разных сочетаниях - по 2, по 3 и  более. Если сталь содержит в сумме  до 2,5% легирующих элементов, её называют низколегированной. Сталь, содержащая 2,5-10% легирующих элементов, считается  среднелегированной, более 10% - высоколегированной.

По назначению легированную сталь  делят на: конструкционные стали, инструментальные стали и стали  с особыми свойствами.

Инструментальная сталь - углеродистая или легированная сталь для изготовления режущих и измерительных инструментов, штампов холодного и горячего деформирования, а также деталей  машин, испытывающих повышенный износ  при умеренных динамических нагрузках. Как правило, инструментальная сталь  содержит более 0,6-0,7% С, обладают высокой твердостью, прочностью, износостойкостью. Для улучшения эксплуатационных свойств инструментальные стали подвергают термической обработке (закалке, отпуску). С увеличением твёрдости повышается и износостойкость инструментальной стали - способность сохранять неизменные размеры и форму рабочей поверхности при трении с высокими давлениями. Инструментальные стали, легированные хромом и марганцем, обладают более высокой закаливаемостью и прокаливаемостью, чем углеродистые. Повышенная красностойкость инструментальной стали - способность сохранять высокую твёрдость и износостойкость при температурах до 500-700С - достигается легированием сталей вольфрамом, молибденом, ванадием.

Одной из главных характеристик  инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость), то есть устойчивость против отпуска при нагреве инструмента  в процессе работы. Различают инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3 – 4 % легирующих элементов), полутеплостойкие (содержащие свыше 0,6 – 0,7 %C и 4 – 3 %Cr) и теплостойкие (высоколегированные стали ледебуритного класса, содержащие Cr, W, V, Mo, Co), получившие название быстрорежущих.         

С целью улучшения свойств углеродистых инструментальных сталей были разработаны  низколегированные стали. Они обладают большей прокаливаемостью и закаливаемостью, меньшей чувствительностью к перегреву, чем углеродистые стали, и в то же время хорошо обрабатываются резанием и давлением. Применение низколегированных сталей уменьшает брак из-за деформации и трещин, по сравнению с получаемым при термической обработке углеродистых сталей. Примером низколегированных сталей может служить сталь У 11Х, которая представляет собой углеродистую сталь с небольшими добавками хрома.

Низколегированные стали не превосходят  углеродистые стали по режущим свойствам, так как введение в сталь небольшого количества легирующих элементов не повышает теплостойкость стали. Поэтому  область применения для низколегированных  сталей рекомендуется та же, что  и для углеродистых сталей (пригодны только для резания относительно мягких материалов с небольшой скоростью). Их используют для инструмента, не подвергаемого  в работе нагреву свыше 200 – 250 °С. Низколегированные стали (11Х, 13Х) рекомендуются  для инструментов диаметром до 15 мм.

 

 

 

 

 

 

42. В чем отличие в строении и свойствах верхнего и нижнего бейнита?

Бейнит (от имени американского металлурга Э. Бейна), устар. игольчатый троостит - игольчатая структура железоуглеродистых сплавов, образующаяся при термической обработке в результате промежуточного превращения аустенита. Бейнит состоит из смеси частиц пересыщенного углеродом феррита и карбида железа. Часто в структуре имеется остаточный аустенит с изменённым (по сравнению со средним) содержанием углерода.

Превращение аустенита в бейнит имеет общие черты с перлитным и мартенситным превращениями, поэтому с бейнитным превращением следует познакомиться после изучения превращения аустенита в мартенсит.

Бейнитное превращение переохлаждённого аустенита происходит в температурном интервале, расположенном ниже перлитного, но выше мартенситного интервала, поэтому его часто называют промежуточным. Бейнитное превращение имеет черты перлитного и мартенситного превращения (поэтому бейнитное превращение не следует относить к основным видам).

Определяющей особенностью бейнитного превращения является то, что оно протекает в интервале температур, когда практически отсутствует диффузия (самодиффузия) железа, но интенсивно протекает диффузия углерода.

Различают верхний и нижний бейниты, образующиеся соответственно в верхней и нижней частях промежуточного интервала температур (условная граница между ними 350 °С). Верхний бейнит имеет перистое строение, а нижний — игольчатое, мартенситоподобное строение. Верхний бейнит и нижний бейнит отличаются друг от друга не только по виду микроструктуры, но и по свойствам.

• В верхнем бейните частицы карбидов расположены по границам или по границам и внутри ферритной фазы. В нижнем бейните карбидные частицы расположены внутри и поперек ферритного кристалла;
• Верхний бейнит имеет перистое строение, а нижний — игольчатое, мартенситоподобное строение. Это различие в микроструктуре бейниту придают кристаллы феррита. Однако феррит в бейните может и не иметь игольчатой формы. Встречается бейнит зернистый и столбчатый. Если температура отпуска мартенсита совпадает с температурой промежуточного превращения, то микроструктура бейнита и отпущенного мартенсита имеет большое сходство, затрудняющее идентификацию бейнита;
• В верхнем бейните диффузия идет быстрее, и цементит в основном выделяется из аустенита, в нижнем бейните - из мартенсита;
• Верхний бейнит имеет твердость и прочность примерно такую же, как у троостита, но более низкую пластичность. Снижение пластичности связано с выделением сравнительно грубых карбидов по границам ферритных зерен. Нижний бейнит имеет высокую твердость и прочность при сохранении высокой пластичности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40. Почему наследственно мелкозернистые стали являются более технологичными?

Процесс превращения перлита в  аустенит протекает путем зарождения в перлите многочисленных зерен  аустенита и последующего их роста. Процесс заканчивается, когда зерна  аустенита полностью заполняют  объем исходного перлитного зерна. Размер образовавшихся аустенитных зерен (начальное зерно аустенита) будет намного меньше исходного перлитного зерна.

При дальнейшем повышении температуры  зерна аустенита растут путем  перемещения границ, а число зерен  естественно уменьшается.

Склонность к росту зерна  аустенита при нагреве у разных сталей различна. Если сталь содержит в своем составе только Si и Mn, то зерно начинает расти уже при сравнительно невысоких температурах 800 – 900⁰.