Кристаллизация металла. Отжиг стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа по дисциплине материаловедение

2016г.

1. Опишите ход процесса кристаллизации металла и факторы, влияющие на величину зерна

Кристаллизация - переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое). Процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, поэтому кривые охлаждения строятся в координатах температура-время (рис.1).

Теоретический, т. е. идеальный процесс кристаллизации металла без переохлаждения протекает при температуре Т_s (рис. 1). При достижении идеальной температуры затвердевания T_s падение температуры прекращается. Это объясняется тем, что перегруппировка атомов при формировании кристаллической решетки идет с выделением тепла (выделяется скрытая теплота кристаллизации). Каждый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной температуре. По окончании затвердевания металла температура его снова понижается.

кристаллизация металл отжиг сталь

Рис. 1. Кривые кристаллизации металла при охлаждении с разной скоростью

Практически кристаллизация протекает при более низкой температуре, т. е. при переохлаждении металла до температур Т_n, T_n1, Т_n2, (например, кривые 1, 2). Степень переохлаждения (?T=T_s-Т_n) зависит от природы и чистоты металла и скорости охлаждения. Чем чище жидкий металл, тем он более склонен к переохлаждению. При увеличении скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, а зерна металла становятся мельче, что улучшает его качество. Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных условиях составляет от 10 до 30°С. При больших скоростях охлаждения она может достигать сотен градусов.

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождения кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава ниже Т_n на многих участках жидкого металла (рис. 2, а, б) образуются способные к росту кристаллические зародыши. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму (рис. 2, в, г, д). Затем при соприкосновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается.

Рост кристалла продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами (рис. 2, е).

Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно металла.

Рис. 2. Последовательные этапы процесса кристаллизации металла

Величина зерен, образующихся при кристаллизации, зависит не только от количества самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле. Такие нерастворимые примеси являются готовыми центрами кристаллизации. Ими являются окислы (например, Al₂O₃), нитриды, сульфиды и другие соединения. Центрами кристаллизации в данном металле или сплаве могут быть только такие твердые частицы, которые соизмеримы с размерами атомов основного металла. Кристаллическая решетка таких твердых частиц должна быть близка по своему строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Чем больше таких частичек, тем мельче будут зерна закристаллизовавшегося металла.

На образование центров кристаллизации влияет и скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кристаллизации и, следовательно, мельче зерно металла.

Чтобы получить мелкое зерно, создают искусственные центры кристаллизации. Для этого в расплавленный металл (расплав) вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Так, при модифицировании магниевых сплавов зерно уменьшается от 0,2-0,3 до 0,01-0,02 мм, т. е. в 15-20 раз. Модифицирование отливок проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, окислы). При модифицировании, например, стали применяют алюминий, титан, ванадий; алюминиевых сплавов - марганец, титан, ванадий.

Иногда в качестве модификаторов применяют поверхностно-активные вещества, Они растворяются в жидком металле. Эти модификаторы осаждаются на поверхности растущих кристаллов, образуя очень тонкий слой. Этот слой препятствует дальнейшему росту кристаллов, придавая металлу мелкозернистое строение.

2. Опишите процесс проведения отжига стали. С какой целью применяют этот режим термообработки?

Отжиг - процесс термической обработки, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при ней и последующем медленном охлаждении с целью получения более равновесной структуры. Особенностью отжига является медленное охлаждение.

В зависимости от того, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига (рис. 3): 1 - диффузионный; 2 - полный; 3 - изотермический; 4 - неполный; 5 - сфероидизирующий; 6 - рекристаллизационный.

Рис. 3. Режимы различных видов отжига

Диффузионный отжиг (гомогенизирующий) применяют для уменьшения химической неоднородности стальных слитков и фасонных отливок. Для выравнивания химического состава слиток или отливку нагревают до высокой температуры, при которой атомы элементов приобретают большую подвижность. Благодаря этому происходит перемещение атомов из мест с большей концентрацией химических элементов в места с меньшей концентрацией. В результате такой диффузии обеспечивается выравнивание химического состава слитка или отливки по объему. Для обеспечения необходимой скорости диффузии атомов отжиг стали проводят при высокой температуре (1100-1200°С) с выдержкой 10-20 ч (рис. 3, кривая1).

Полный отжиг (рис. 3, кривая 2) применяют для доэвтектоидной стали в основном после горячей обработки поковок давлением и отливок с целью измельчения зерна и снятия внутренних напряжений. Это достигается нагревом стали на 30-50°С выше верхней критической точки Ас₃ и медленным охлаждением.

При нагреве стали выше температуры Ас₃ перлит превращается в аустенит. Это происходит путем образования в начальной стадии мельчайших зародышей кристалликов аустенита и постепенного их роста по мере повышения температуры. При небольшом превышении температуры Ас₃ (на 30-50°С) образовавшиеся кристаллики аустенита остаются еще мелкими. В дальнейшем, при охлаждении ниже температуры Ас₁ образуется однородная мелкозернистая структура ферритно-перлитного типа. При этом в пределах одного аустенитного зерна возникает несколько перлитных зерен, которые значительно мельче, чем аустенитное зерно, из которого они образовались. Температуру нагрева деталей, изготовленных из углеродистых сталей, определяют по диаграмме состояния (рис. 4), а для легированных сталей - по положению их критической точки Ас₃, имеющейся в справочных таблицах. Время выдержки при отжиге складывается из времени, необходимого для полного прогрева детали, и времени, нужного для окончания структурных превращений.

Рис. 4. Диаграмма состоянии с интервалами нагрева углеродистой стали для отжига, нормализации, закалки и отпуска

Изотермический отжиг заключается в том, что сталь нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас₃ (конструкционные стали) и выше точки Ас₁ на 50-100°С (инструментальные стали). После выдержки сталь медленно охлаждают в расплавленной соли до температуры несколько ниже точки Аг₁ (680-700°С, см. рис. 4). При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке до полного превращения аустенита в перлит, а затем охлаждают на спокойном воздухе. Изотермический отжиг сокращает продолжительность термической обработки небольших по размерам изделий из легированных сталей в 2-3 раза по сравнению с полным отжигом. Для крупных изделий такого выигрыша по времени не получается, так как требуется большое время для выравнивания температуры по объему изделия. Изотермический отжиг является лучшим способом снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием сложнолегированных сталей, например 18Х2НЧВА.

Сфероидизирующий отжиг (рис. 3, кривая 5) обеспечивает превращение пластинчатого перлита в зернистый, сфероидизированный. Это улучшает обрабатывамость сталей резанием. Отжиг на зернистый перлит производят по режиму: нагрев стали немного выше точки Ас₁ с последующим охлаждением сначала до 700°С, затем до 550-600°С и далее на воздухе. Сфероидизирующий отжиг применяют для сталей, содержащих более 0,65% углерода, например шарикоподшипниковые стали типа ШХ15.

Рекристаллизационный отжиг (рис. 3, кривая 6) применяют для снятия наклепа, вызванного пластической деформацией металла при холодной прокатке, волочении или штамповке. Наклепом называют упрочнение металла, появляющееся в результате холодной пластической деформации металла. При холодной прокатке, штамповке, волочении зерна металла деформируются, дробятся. Это повышает твердость металла, снижает его пластичность и вызывает хрупкость. В этом и заключается сущность наклепа. Выполняют путем нагрева до температуры ниже Ас₁ (650-700°С), выдержки и последующего замедленного охлаждения. При нагреве металла до 650-700°С (рекристаллизационный отжиг) возрастает диффузионная подвижность атомов и в твердом состоянии происходят вторичное кристаллизационные процессы (рекристаллизация). На границах деформированных зерен возникают новые центры кристаллизации, вокруг которых заново строится решетка. Вместо старых деформированных зерен вырастают новые равноосные зерна и деформированная структура полностью исчезает. При этом восстанавливаются первоначальная структура и свойства металла.

3. Опишите процесс кристаллизации (т.е. фазовые превращения в процессе кристаллизации) твердого раствора с ограниченной растворимостью для сплава 85% металла А и 15% металла В. (Диаграмма с эвтектикой)

Сплав, содержащий 15% А и 85% В, называют эвтектическим, он представляет собой механическую смесь кристаллитов металлов А и В. При микроскопическом анализе такого сплава оба металла видны в форме хорошо различимых пластинок или слоев. Если в исходной жидкой фазе содержание компонента А более 15%, под микроскопом видны отдельные кристаллы А, которые выделяются при затвердевании первыми, окруженные кристаллизующейся позже эвтектикой. Если же содержание А в исходной жидкости менее 15 %, то в массе эвтектики видны первичные кристаллы В

Механическая смесь компонентов. Эвтектический сплав. На рис. 94 представлена диаграмма плавкости для сплава, являющегося механической смесью, состоящей из кристаллов компонента А и кристаллов компонента В. В жидкой фазе (расплаве) один металл неограниченно растворяется в другом, но в твердой фазе (сплаве) они не образуют твердых растворов. На этой диаграмме есть пять областей: область /, отвечающая однородной жидкой фазе (расплаву компонентов А + В, Ф = 1), и области II, III, IV и У, отвечающие неоднородным двухфазным состояниям системы (Ф =2); // -- твердая фаза компонен- та А + жидкая фаза расплава А + В; III -- твердая фаза компонента В + жидкая фаза расплава А + В; IV--твердая фаза компонента А, вкрапленная в сплав эвтектического состава (см. ниже); V -- твердая фаза компонента В, вкрапленная в сплав эвтектического состава. На кривой ликвидуса имеется резкий минимум (точкаа),отвечающий / = и примерно 15% компонента А и 85% компонента В в смеси. Система состоит из трех равновесных фаз (Ф = 3); одной жидкой (расплав А + В) и двух твердых (кристаллы А и кристаллы В).

Рис. 5 Диаграмма плавкости сплава типа механическая смесь компонентов А и В

4. Какие виды и марки чугунов Вы знаете? Каковы области их применения?

Чугун - сплав железа с углеродом(>2,14%С).

1) Виды:

Белые чугуны -- получаются при ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 °С, когда в силу структурных и кинетических особенностей будет образовываться метастабильная фаза Fe₃C, а не графит. Белые чугуны, содержащие связанный углерод в виде Fe₃C, отличаются высокой твердостью, хрупкостью и очень трудно обрабатываются резанием. Поэтому они как конструкционный материал не применяются, а используются для получения ковкого чугуна путем графитизирующего отжига.

Серые чугуны -- образуются только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. В этих условиях весь углерод или его большая часть графитизируется в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в виде цементита составляет не более 0,8 %. У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, что определяет широкое применение их как конструкционного материала.

Половинчатые чугуны -- занимают промежуточное положение между белыми и серыми чугунами, и в них основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде Fe₃C. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.

Марки и характеристики механических свойств высокопрочных чугунов (ГОСТ 7293-85)

Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом используют для замены литой стали в изделиях ответственного назначения (валки горячей прокатки, станины и рамы прокатных станов, молотов и прессов). По сравнению со сталью они обладают несравненно более высокими литейными свойствами и на 8-10 % меньшей плотностью (последнее позволяет снизить массу машин). Даже поковки ответственного назначения из легированных сталей можно заменять на отливки из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Классический пример этого -- тяжелонагруженные коленчатые валы дизельных, в том числе автомобильных двигателей, к которым предъявляют высокие требования по статической и усталостной прочности.

Высокопрочный чугун используют и для замены серого чугуна с пластинчатым графитом, если необходимо увеличить срок службы изделия или снизить массу.

Список использованной литературы

1.Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1985.

2.Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1990

3.Геллер Ю.А. Погодин-Алексеев Г.И., Рахштадт А.Г. Металловедение М., «Металлургия», 1967 404с.

4.Зуев В.М. Термическая обработка металлов. Учеб. для уч-ся нач. проф. образования - М.: Высш.шк., Academia.2002. 308с.

5.Металловедение и термическая обработка. Справочник под ред. Гудцов Н.Г. и др., М., Металлургиздат., 1956. 1204с.

6.Мозберг. Р.К. Материаловедение Под. ред. Н.Э.Струн. Изд.»Валгус», Таллин, 1976. 544с.

7.Полтавец В.В. Доменное производство. М., Металлургия чугуна. 2001. 476с.

Размещено на Allbest.ru