reforef.ru 1
Вариант 1



  1. Приведите схемы и опишите основные типы кристаллических решеток в металлах. Объясните явление аллотропии (полиморфизма).


Атомы в кристаллах расположены закономерно в узлах кристаллической решетки или в местах пересечения кристаллических плоскостей. Все пространство кристалла можно разбить на элементарные ячейки. Повторяя в пространстве элементарную ячейку, можно описать весь кристалл. Простейшей кристаллической ячейкой является куб, по вершинам которого располагаются атомы.

В металлах и сплавах наиболее распространены следующие кристаллические решетки:

  • объемно-центрированная кубическая (ОЦК);

  • гранецентрированная кубическая (ГЦК);

  • гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

В ячейке с ОЦК решеткой атомы распо­ложены в вершинах кубической элементарной ячейки и один — в ее цен­тре. Такую решетку имеют железо при температуре до 910°С и выше 1390°С, хром, вольфрам, ванадий и др. (рис. 1, а). В ячейке ГЦК ре­шетки атомы расположены в вершинах кубической элементарной ячейки и по одному — в центре каждой ее грани. Такую решетку имеют железо при температуре 910... 1390°С, медь, никель, алюминий и др. (рис. 1, б). В ячейке ГПУ ре­шетки, имеющей форму призмы с углами в основании 60 и 120°, атомы располагают­ся в вершинах призмы и один — в ее центре. ГПУ решетка имеется у магния, цинка и ря­да других металлов (рис. 1, в).

Рисунок 1
Кристаллические решетки характеризуются параметрами: периодом решетки, координационным числом, атомным радиусом, базисом или количеством атомов, приходящимся на одну ячейку, энергией решетки, плотностью упаковки атомов и др.

Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом. Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.


Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).

Fe: t < 911°C - ОЦК - Feα;

911 < t < 1392°C - ОЦК - Feβ;

1392 < t < 1539°C - ОЦК - Feδ.

Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.


  1. Приведите общую характеристику ползучести металлов. Зарисуйте кривую ползучести и опишите ее основные участки. Какие факторы способствуют развитию ползучести? Как ведется наблюдение за ползучестью паропроводов?


Ползучесть - свойство металлов медленно и непрерывно пластически деформироваться при статическом нагружении, особенно при высоких температурах. При повышенных температурах металлы приобретают способность получать остаточные деформации («ползти») даже в тех случаях, когда действующие напряжения лежат значительно ниже предела текучести (упругости) данного металла при заданной температуре.

Испытания на ползучесть дают возможность получения кривой ползучести, представляющей графическое изображение зависимости деформации от времени при постоянной температуре и постоянном напряжении (рис. 2).

Первичная кривая ползучести ε = f(t): ε - деформация, полученная при наложении нагрузки (начальная деформация) , ε1 - деформация, полученная в первом периоде (неустановившаяся ползучесть), ε2 - деформация, полученная во втором периоде (установившаяся ползучесть), ε3 - деформа­ция, полученная в третьем периоде (нарастающая ползучесть).

Кривая ползучести металла, доведенного до разрушения, включает три периода: 1 период - неустановившаяся ползучесть, идет со значительной скоростью, но постепенно убывает; 2-й период - установившаяся ползучесть, имеет постоянную и минимальную для данных температуры и напряжения скорость ползучести; 3-й период - нарастающая ползучесть, протекает со все возрастающей скоростью, ведущей к разрушению; этот период ползучести отражает преобладание разупрочняющих металл факторов. Напряжения, при­водящие к такому состоянию, исключаются из прочностных расчетов как опасные для прочности.



Рисунок 2. Кривая ползучести металлов при заданной высокой температуре


Факторы, способствующие развитию ползучести.
При повышении температуры прочностные свойства металлических материалов падают, а пластические возрастают. Интенсивность разупрочнения для разных материалов различна. Температура, приложенное напряжение, протекающая во времени деформация находятся в тесной зависимости и определяют работоспособность материала.

При действии высоких температур и длительного нагружения поведение материала в основном подчиняется диффузионным процессам.
Неустановившаяся ползучесть характеризуется значительной начальной скоростью деформации и постепенным ее замедлением с течением времени. На этом участке происходит перераспределение напряжений между зернами, имеет место более равномерное их нагружение.

На стадии установившейся ползучести процессы упрочнения, связанные с торможением движения дислокаций и их накоплением, сбалансированы с процессами разупрочнения, вызванными явлениями возврата и рекристаллизации, частичной аннигиляцией и перераспределением дислокаций.

Рассмотренные способы перемещения дислокаций контролируются процессами диффузии, значения энергии активации установившейся ползучести и самодиффузии близки.

В поликристаллических материалах ползучесть развивается благодаря перемещению дислокаций в зернах, зернограничному скольжению и диффузионному переносу (направленному переносу).

При длительных испытаниях происходит накопление признаков повреждаемости в виде трещин. Трещины, возникающие при ползучести, могут быть типа клиньев и пор.

В процессе эксплуатации проводится наблюдение за ползучестью и структурой металла паропроводов, паросборников, коллекторов и змеевиков пароперегревателей. Разрушению при ползучести предшествует остаточная деформация. Если суммарная накопленная остаточная деформация не превышает установленной величины, то нет оснований опасаться разрушения. Допускаемую остаточную деформацию в эксплуатации выбирают на основании результатов научно-исследовательских работ и обобщения опыта эксплуатации


В металле паропроводов, работающих при высоких температуpax, происходит накопление со временем остаточных деформаций. Это явление носит название ползучести. Для углеродистых марок стали она протекает при температуре выше 400 С, для легированных - выше 450 С.

Определение характеристик ползучести металла паропроводов методом длительного вдавливания можно осуществить с помощью приспособлений, изображенных на рис. 8.10.


Для этого на паропровод необходимо установить не менее трех приспособлений. На каждом из них с помощью грузов устанавливают различное значение контактного напряжения, которая вызывает равномерную ползучесть скоростью 10-3 – 10-5 %/ч.

3. Вычертите упрощенный вариант диаграммы состояния сплавов «железо - цементит» и укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы. Для сплава, содержащего 0,3%С постройте кривую охлаждения и опишите происходящие превращения. Схематично изобразите и опишите структуру данного сплава.
В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы образуют ряд структурных составляющих (фаз): Феррит (Ф), Аустенит (А), Цементит (Ц), Перлит (П), Ледебурит (Л)

Основой для определения структуры и свойств железоуглероди­стых сплавов является диаграмма состояния железо — углерод (цементит, карбид железа), представленная в упрощенном варианте. Ось концентраций (абсцисс) двойная, она отражает содержание углерода и цементита.


Рисунок 3. Диаграмма «Железо-цементит»
Превращения для сплава, содержащего 0,3% С:

  1. Fe-α - от низких температур до 768°C. Эта фаза имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК), низкую прочность и твёрдость 80 HB, низкий предел текучести, удельный вес 7,8 г/см3, имеет магнитные свойства (ферромагнетик), растворяет углерод 0,006% при 20°C и 0,02% при 727°C. Твёрдый раствор углерода в Fe-α называется феррит. Свойства феррита близки к свойствам чистого Fe.


  2. Fe-β – фаза имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК). Существует от 768°C до 910°C, растворяет углерод в небольших количествах, немагнитен, при 768°C теряет магнетизм, 768°C – точка Кюри, парамагнетик.

  3. В 910-1400°C существует Fe-γ, с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК), это железо немагнитно, растворяет 2,14% C при 1147°C. Раствор углерода в Fe-γ называется аустенит, немагнитен, твёрже феррита, достаточно пластичен.

  4. Fe-δ существует в пределах температур 1400-1539°C. При температуре 1539°C происходит плавление железа. Переход Fe-α→Fe-γ происходит с изменением объёма (1%).

  5. Fe3C - 6,7% C, твёрдость 800 HB, Fe3C – цементит, при низких температурах магнитен. Fe3C→Fe + Графит. При 1147°C идёт реакция, в результате которой образуется эвтектика: смесь аустенита и цементита – ледебурит. [А+Ц] - 4,3% углерода.

  6. Феррит + цементит - Перлит, составляет 0,8% C, твёрдость HB 800. Ла – [А+Ц], Лп – [П+Ц], А→П. Из жидкости выделяется ЦI, из А - ЦII, из Ф - ЦIII. До 2,14% C – стали, после – чугуны. Сначала жидкость переходит в аустенит, потом происходит переход жидкости в ледебурит аустенитовый (эвтектическая реакция), аустенит переходит в перлит (эвтектоидная реакция), аустенит переходит в феррит.



Рисунок 4. Кривая охлаждения для сплава

4. Для каких целей применятся диффузионный отжиг. Как выбирается режим такого отжига? Приведите примеры.
Отжиг - термическая обработка, при которой сталь нагревается выше Ас3 с последующим медленным охлаждением.

Диффузионный отжиг применяют для слитков легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышает склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому разрушению, к анизотропии свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность (слоистый излом) и флокены (тонкие внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых овальных пятен).


Дендритная ликвация понижает пластичность и вязкость легированной стали, поэтому не только слитки, по и крупные отливки нередко подвергают гомогенизации. Нагрев при диффузионном отжиге должен быть высоким (1100—1200 С), так как только в этом случае более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания в отдельных объемах состава стали.

Общая продолжительность диффузионного отжига (нагрев, выдержка и медленное охлаждение) больших садок металла достигает 50 -100 ч и более. В зависимости от состава стали и массы садки продолжительность выдержки составляет 8—20 ч.

Для удаления поверхностных дефектов слитки после отжига иногда подвергают нагреву при 670-680° в течение 1-16 ч, что снижает твердость. Фасонные отливки после гомогенизации подвергают полному отжигу или нормализации для измельчения зерна и улучшения свойств.

5. Для изготовления деталей подшипников качения выбрана сталь ШХ15СГ. Укажите химический состав стали, определите класс стали по структуре и объясните назначение легирующих элементов, введенных в эту сталь
Для изготовления подшипников используют шарикоподшипниковую сталь.

Укажем состав стали ШХ15СГ.

ШХ15ГС - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 1,5% хрома и от 0,8 до 1,5% марганца и кремния.

Данная сталь обладает высокой твердостью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости. К сталям предъявляют высокие требования по содержанию неметаллических включений, так как они вызывают преждевременное усталостное разрушение. Недопустима так же карбидная неоднородность.

Электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплав, уменьшая количество неметаллических включений (сульфидов, оксидов и др.), повышают долговечность подшипников.

Стали изготовляют в виде прутков, труб и проволоки. Для горячей штамповки стали поставляются без отжига, для холодной механической обработки - в отожженном состоянии. После отжига стали получают однородную структуру мелкозернистого перлита с мелкими включениями вторичных карбидов. Такая структура обеспечивает удовлетворительную обрабатываемость резанием и достаточную пластичность при холодной штамповке шариков и роликов.


Сталь ШХ15СГ дополнительно легирована кремнием и марганцем для повышения прокаливаемости. Хром -повышает твердость, коррозионностойкость. Отжиг стали на твердость порядка 190 НВ обеспечивает обрабатываемость полуфабрикатов резанием и штампуемость деталей в холодном состоянии.

Закалка деталей подшипника осуществляется в масле с температур 840-8600С. Перед отпуском детали охлаждают до 20-250С для обеспечения стабильности их работы (за счет уменьшения количества остаточного аустенита). Отпуск стали проводят при 150-170 0С в течение 1-2 ч.

Окончательно обработанная подшипниковая сталь имеет структуру мартенсита с включениями мелких карбидов и высокую твердость.