Вариант 07.
1. Для низкотемпературной полиморфной модификации титана определите координационное число и рассчитайте коэффициент укладки. Объясните физическую сущность полиморфизма, движущую силу и механизм превращения.
Титан серебристо-белый металл с малой плотностью (4,5 г/см) и высокой температурой плавления (1672 °С).
Низкотемпературная полиморфная модификации титана — Ti имеет плотноупакованную гексагональную решетку (ГПУ).
Рисунок 1 – Плотноупакованная гексагональная решетка.
Под координационным числом понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. В ГПУ решетке на этом расстоянии находятся 12 соседей (Г12).
Коэффициентом укладки называют плотность упаковки атомов в объеме кристаллической решетки.
Полиморфное превращение по своему механизму — кристаллизационный процесс, осуществляемый путем образования зародышей с последующим их ростом.
2. Полосы технически чистого свинца были прокатаны при нормальной температуре на степень деформации 30, 60 и 80%. Объясните, можно ли при данных условиях ожидать существенного упрочнения при наклепе. Проведите доказательный анализ ситуации.
По правилу А.А. Бочвара можно оценить в первом приближении температурный порог рекристаллизации по известной температуре плавления металла: Тп.р.=0,4 Тпл.
Температура начала рекристаллизации свинца:
Тп.р.=(327+273)0,4-273=-33°С.
3. Вычертите диаграмму состояния железо — карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите процессы кристаллизации и превращений в твердом состоянии для сплава, содержащего 0,7 % С, напишите для этих процессов фазовые реакции с указанием составов реагирующих фаз и температурных интервалов превращений, изобразите схему кривой охлаждения заданного сплава и обоснуйте ее вид с применением правила фаз. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?
Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).
При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.
При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3 Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.
Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических — аустенит + ледебурит, эвтектических — ледебурит и заэвтектических — цементит (первичный)+ледебурит.
Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.
Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.
Линия ЕS показывает температуры начала выдел пня цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.
В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8 П[Ф0,03+Ц6,67].
4. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита стали У8. Нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей твердость 20-25 HRC. Укажите, как этот режим называется и какая структура образуется в данном случае.
Рисунок 3 – Диаграмма изотермического превращения аустенита для стали У8.
Изотермической обработкой, необходимой для получения твердости 20 – 25 HRC, является изотермический отжиг. При изотермическом отжиге сталь У8 нагревают до температуры на 30 – 50°С выше точки Ас1 и после выдержки охлаждают до температуры несколько ниже точки Аr1. При этой температуре сталь подвергают изотермической выдержке до полного превращения аустенита, затем охлаждают до комнатной температуры. Для получения структуры пластинчатого перлита заданной твердости (20 – 25HRC) устанавливается температура изотермической выдержки 640 – 660 °С.
5. Плашки из стали У11А закалены: первая — от температуры 760° С, вторая — от температуры 850°С. Используя диаграмму состояния железо — цементит, укажите температуры закалки, объясните, какая из этих плашек закалена правильно, имеет более высокие режущие свойства и почему.
Исходная структура высокоуглеродистой инструментальной стали У11А до нагрева под закалку – перлит + карбиды.
Критические точки для стали У11А: Аc1=730ºС, Аcm=810ºС.
При нагреве до 730ºС в стали У11 не происходят аллотропические превращения и мы имеем ту же структуру – перлит + карбиды, быстро охлаждая (т.к. закалка), имеем также после охлаждения перлит + карбиды с теми же механическими свойствами (примерно), что и в исходном состоянии до нагрева под закалку.
6. Назначьте температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска рессор из стали 65Г, которые должны иметь твердость 45…50 HRС, Опишите микроструктуру и свойства.
Сталь 65Г — конструкционная рессорно-пружинная сталь. В химический состав входят: Углерод (С) 0.62-0.70%, Кремний (Si) 0.17-0.37%, Медь (Cu), не более 0.20%, Марганец (Mn) 0.90-1.20%, Никель (Ni), не более 0.25%, Фосфор (P), не более 0.035%, Хром (Cr), не более 0.25%, Сера (S), не более 0.035
Рессорно-пружинные стали общего назначения должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям и пределом выносливости при достаточной пластичности и сопротивлении хрупкому разрушению; иметь повышенную релаксационную стойкость.
Для получения этих свойств стали должны содержать С 0,5% и быть подвергнуты закалке и отпуску при 400 —520°С. Для углеродистых пружинных сталей после термической обработки обычно 0,2 80 кгс/мм2 и для легированных сталей — 0,2 100 кгс/мм2.
7.В результате термической и химико-термической обработки шестерни должны получить твердый износоустойчивый поверхностный слой при вязкой сердцевине. Для изготовлении их выбрана сталь 18ХГТ. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической, химико-термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки данной стали. Опишите микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины шестерни после термической обработки.
Сталь 18ХГТ — конструкционная легированная сталь. Назначение — улучшаемые или цементируемые детали ответственного назначения, от которых требуется повышенная прочность и вязкость сердцевины, а также высокая поверхностная твердость, работающая под действием ударных нагрузок. Химически состав стали указан в таблице 1.
| Кремний (Si) | 0.17-0.37 |
| Медь (Cu), не более | 0.30 |
| Марганец (Mn) | 0.80-1.10 |
| Никель (Ni), не более | 0.30 |
| Титан (Ti) | 0.03-0.09 |
| Фосфор (P), не более | 0.035 |
| Хром (Cr) | 1.00-1.30 |
| Сера (S), не более | 0.035 |
Таблица 1. — Химический состав стали 18ХГТ,%.
8. Для некоторых деталей точных приборов выбран сплав элинвар. Укажите состав и определите, к какой группе относится данный сплав по назначению. Опишите влияние легирующих элементов на основную характеристику сплава и причины выбора данного сплава.
В приборостроении для изготовления упругих элементов (пружин, мембран, сильфонов, подвесов, торсион и т. д.) требуется материал, обладающий высокими значениями упругих свойств, достаточной пластичностью, прямолинейным ходом изменения модуля упругости в широком интервале температур, а также часто немагнитностью, коррозионной стойкостью и т. д.
