Контрольная работа по "Материаловедение"

Вопрос № 62

Методы исследования структуры  металлов и сплавов. Макроисследование. Строение изломов при однократном и длительном действии статических нагрузок и при усталости. Цели. Перспективы использования в научно-производственном комплексе.

 

Ответ:

Методы исследования структуры металлов и сплавов: 
 
а.Макроскопический анализ. 
б.Микроскопический анализ. 
в.Рентгеноструктурный анализ и рентгеновская дефектоскопия. 

Макроскопический  анализ. 

Различают макроструктуру, микроструктуру и тонкую структуру. 
Строение металлов и сплавов, видимое невооружённым глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы (до 30 раз), называется макроструктурой. Макроструктура изучается путём макроанализа.  
Так как металлы - вещества непрозрачные, то их строение изучают в изломе или специально приготовленных образцах - макрошлифах. Образец вырезают из определённого места, в определённой плоскости в зависимости от того, что подвергают исследованию - литьё, поковку, штамповку, прокат, сварную или термически обработанную деталь - и что требуется выявить и изучить - первичную кристаллизацию, дефекты, нарушающие сплошность металла, неоднородность структуры . Поэтому образцы вырезают из одного или нескольких мест слитка, заготовки или детали как в продольном, так и в поперечном направлениях. Поверхность образца (темплета) выравнивают на наждачном круге, затем шлифуют. После шлифования темплет травят в специальных реактивах, которые по-разному растворяют структурные составляющие и растравливают дефекты. 
  Макроанализ шлифов выявляет различные пороки в слитках и отливках (усадочные раковины, газовые пузыри, трещины…); вид излома (вязкий, хрупкий); величину, форму и расположение зерен и дендритов литого металла; дефекты, нарушающие сплошность металла (усадочную пористость, газовые пузыри, раковины, трещины); химическую неоднородность металла, вызванную процессами кристаллизации или созданную термической и химико-термической обработкой; расположение волокон в кованных и штампованных заготовках; трещины, возникающие при обработке давлением или термической обработке, дефекты в сварных швах. 

Рассмотрим специфику  вида разрушения, при следующих нагружениях:

кратковременно  статическом при нормальной температуре (работа стойки шасси). Её разрушение носит внезапный характер. Оно происходит при воздействии max главных напряжений, полагают, что разрушения возникают при условии:уmax=у0,1; при max касательных напряжений (фmax= у0,2); накопленной энергии деформирования (критерием разрушения является фиксированная энергия деформирования, накопленная от начала появления необратимых деформаций материала до предельного напряжения). Энергия сдвиговой деформации (разрушение наступает когда энергия сдвиговой деформации в сложном напряженном состоянии станет равной энергии деформации при одноосном растяжении); Мах главных деформаций (критерий Сен-Венана) max деформация, соответствующая разрушению, связанна с напряжениями, ориентированными по трем осям у1; у2; у3; модулем упругости Е и коэффициентом Пуассона г соотношением: е=( у1- гу2- гу3)E.

Действие перечисленных  критериев наблюдаются при недопустимо  грубой посадке самолета (ударные  нагрузки на элементы шасси, силовые  элементы крыла и т.п.). Измерить эти  критерии в условиях эксплуатации нельзя, но они полезны тем, что ориентируют  нас на главные показатели прочностных  свойств материала шасси, какими будут пределы: упругости у0,1, предел текучести у0,2, относительные удлинения д и сужение ш.

Имеется тесная связь между  относительным сужением ш и твердостью по Бринеллю НВ. Зная опасные зоны и  пределы изменения НВ можно с  помощью переносного твердомера диагностировать приближение несущих  свойств элементов шасси к  предотказному состоянию.

При воздействии  длительно приложенных статических  нагрузок и повышенных температур, можно оценить две группы характеристик: Предел длительной прочности (удл) и максимальную деформацию (о,max).

Наиболее удобной величиной  измерения пластической деформации дисков турбины которую можно зафиксировать, является скрежет о лабиринтные уплотнения статора при ручной прокрутке ротора ГТД. О недопустимой деформации рабочих лопаток турбины может свидетельствовать наличие «шейки» (утонения) на профильной части. Для того, чтобы оценить степень усталости материалов, можно сделать ряд косвенных проверок (оценить однородность поверхностного слоя, степень упрочнения, распределение остаточных напряжений и т.д.) или провести усталостные испытания, по результатам которых принимается решение о дальнейшей эксплуатации конструкции.

Приведенный пример выбора параметров построен на методе логического  анализа физической модели объекта  контроля. Помимо него имеется еще  ряд методов выбора физико-механических характеристик, отражающих несущую  способность конструкции при  определенном виде нагружения: методы экспертных оценок, статистических оценок, оценки «чувствительности» физико-механического параметра, оценка информативности параметра.

Метод экспертных оценок основан  на использовании рекомендаций экспертов-специалистов, имеющих опыт в данной области  исследования материалов.

Статистические методы основаны на подсчете частоты реализаций параметров при аварийных состояниях материала  и выборе на этой основе нужной группы материалов.

В методе выбора параметров по оценке их «чувствительности» используют математическую, чаще всего линейную модель испытуемого материала, выраженную в виде зависимостей параметров на различных стадиях работы.

Использование наиболее информативных  критериев позволяет достовернее  выявить состояние материала  из ранее известных множеств состояний, это достигается путем аналитических  оценок информации, вносимых каждым из параметров, по отношению и какому-то конкретному состоянию.

Правильно выбранные характеристики (физико-механические) позволяет фиксировать  состояния металлов не только на «данный  момент» но могут быть использованы как инструмент оценки поведения  материала при определенном виде нагружения, т.е. для прогноза на предстоящий период работы.

 

Вопрос № 82

Объемная закалка, её разновидности. Сущность и особенности  мартенситного превращения. Дефекты  закалки и их предупреждение. Улучшение  стали.

Ответ:

 

Способы объемной закалки. 
 
В зависимости от состава стали, формы и размеров детали и требуемых в термическиобработанном состоянии свойств выбирают оптимальный способ закалки, наиболее просто осуществимый и одновременно обеспечивающий нужные свойства. 
 

 
 
Рис. 43. Кривые охлаждения для различных способов закалки, нанесенные на диаграмму изотермического распада аустенита.

 
1. Закалка в  одном охладителе. (рис. 43. 1) - здесь нагретую деталь погружают в жидкость, где она остается до полного охлаждения. Способ применяется для геометрически простых деталей из углеродистых и легированных сталей. Охладитель - вода и масло.

 

2. Прерывистая  закалка, или закалка в двух  средах. (рис. 43. 2) Деталь сначала охлаждается в быстро охлаждающей среде, а затем в медленно охлаждающей. Вода и масло. В мартенситном интервале сталь охлаждается медленно, что способствует уменьшению внутренних напряжений.

 
 3. Струйная закалка - заключается в обрызгивании детали интенсивной струей воды. Обычно применяют, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что дает более глубокую прокаливаемость. 
 
4. Закалка с самоотпуском. В обычных закалке и отпуске свойства по сечению детали одинаковы. Для создания требуемого распределения твердости закаливают лишь часть детали, а аккумулированное тепло неохлажденной части проводит отпуск. Такой способ применяют, например, для слесарного инструмента Зубила, молотки, наковальни и т.п.). Распределение твердости достигают, регулируя закалку по цветам побежалости. 
 
5. Ступенчатая закалка. (Рис. 43. 3) Деталь охлаждают в среде, имеющей температуру выше мартенситной точки. Делают выдержку для выравнивания температуры по сечению. Затем проводят медленное охлаждение, обеспечивающие мартенситное превращение. Разбивка на две ступени уменьшает напряжения первого рода, снижает закалочную деформацию. Применяется для крупных изделий. 
 
6. Изотермическая закалка. (Рис. 43. 4) Здесь сталь выдерживается при температуре или в среде, обеспечивающих полное изотермическое превращение аустенита. Обычно 200 - 250 С. Образующаяся структура - бейнит.

Мартенсит — микроструктура игольчатого вида, наблюдаемая в  закалённых металлических сплавах  и в некоторых чистых металлах, которым свойствен полиморфизм. Назван в честь немецкого металловеда, одного из основоположников исследований по усталости материалов, Марка Адольфа Мартенса (А. Martens; 1850—1914гг.). Мартенсит — основная структурная составляющая закалённой стали; представляет собой упорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе.

Мартенситное превращение, наиболее интересная стадия превращения  аустенита в сталях.

Физический механизм образования  мартенсита принципиально отличается от механизма других процессов, происходящих в стали при нагреве и охлаждении. До тех пор пока, ученые не смогли наиболее глубоко изучить и описать  этот процесс, существовало много различных  не уясненных, непонятных и не объяснимых на тот момент процессов происходящих при превращении А→М.

Если переохладить аустенит до точки Mн, то начнется так называемое мартенситное превращение, происходящее при непрерывном охлаждении в интервале температур от точки Мн„ до точки Мк, лежащей ниже О °С при С > 0,8%.

Интервал температур Mн …Mк зависит от количества углерода в аустените стали (рис.1)

Так при содержании углерода больше 0.6% точка Мн находится в области отрицательных температур. Скорость охлаждения практически не влияет на температуру Мн и Мк.

Рис. 1.Влияние содержания углерода на положение мартенситных точек Мн и Мк.

Минимальная скорость охлаждения Vk, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры точки Mн, и превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки. Суть данного превращения состоит в том, что в этих условиях происходит только бездиффузионное аллотропическое превращение γ-Fe в α-Fe. Что касается растворенных в аустените атомов углерода, то вследствие отсутствия диффузионных процессов они не могут выйти из образовавшейся новой решетки и поэтому остаются в ней, внося в нее существенные изменения и внутренние напряжения.

Для сталей с С>0.6% после охлаждения до 0°С в структуре закаленной стали сохраняется некоторое количество непревращенного (остаточного аустенита) Аост, количество которого увеличивается в высокоуглеродистых сталях с низким значением точек Мн и Мк,

Важнейшим условием А→М-превращения является непрерывное охлаждение аустенита в интервале от Мн до Мк. При остановках фиксируется нераспавшийся аустенит с неприятными последствиями (снижение твердости, изменение размеров и т. д.).

Механизм образования  сводится к тому, что в зернах аустенита возникают растущие с  огромной скоростью кристаллы мартенсита, имеющие продолговатую сплюснутую форму в виде пластин или реек и возросший объем. Огромная скорость роста мартенситных кристаллов, превышающая 1000м/с, способствует образованию наклепа в аустените, возникающие при этом дислокации переходят в образующийся затем мартенсит, что поышает его твердость, снижая пластичность до нуля. Плотность дислокаций возрастает до 1013см-2. За время превращения кристаллы мартенсита многократно возникают и проскакивают под углами 60° и 120° друг к другу. При наблюдении в микроскоп их следы имеют игольчатую форму.

Мартенситное превращение  очень чувствительно к напряжениям, а деформация аустенита может  вызвать превращение даже при  температурах выше Мн (мартенсит деформации).

Схему превращения А→M можно записать в виде

γ-Fe(C) -> α-Fe(C).

При А->M происходит перестройка  решетки γ-Fe г.ц.к. в решетку α-Fe о.ц.к. по сдвиговому механизму без выделения углерода из решетки α-железа.

Атомы растворенного в  мартенсите углерода размещаются в  октаэдрических порах тетрагональных кристаллов.

Согласно современным  взглядам об электронном строении кристаллической  решетки мартенсита, находящийся  в октапоре атом углерода двумя из четырех своих валентных электронов образует ковалентные связи с двумя ближайшими атомами железа. Остальные же два валентных электрона переходят в электронный газ, образуя металлическую связь между атомами решетки.

Образующиеся в мартенсите трехцентровые ковалентные связи Fe-C-Fe почти на порядок сильнее металлических. К тому же они являются очень жесткими связями, допускающими лишь небольшие упругие деформации. превышение которых влечет полное скачкообразное исчезновение взаимодействия. Эти особенности межатомного взаимодействия в мартенсите сочетающие металлическую и ковалентную связи в его кристаллический решетке, являются основной причиной, предопределяющей его очень высокую твердость и хрупкость.

Неполная закалка — после закалки получается недостаточная твердость. Этот дефект образуется либо в результате недогрева перед закалкой (например, при нагреве доэвтектоидной стали ниже Ac3).

 

 Структура доэвтектоидной стали после неполной закалки:  
а — мартенсит с ферритом (Ac3 > t > Ас1); б — мартенсите троуститом либо в результате охлаждения со скоростью, меньшей критической.

Этот дефект устраняется  повторной закалкой с правильным режимом. Коробление, закалочные трещины, изменение формы изделия— эти дефекты являются следствием возникновения внутренних напряжений I и II рода.  
Закалочные трещины — образуются в изделиях после охлаждения их при температурах ниже точки Мн. С повышением содержания углерода возможность возникновения трещин увеличивается. Кроме того, этому способствуют повышенные температура закалки и скорость охлаждения (в интервале мартенситного превращения), резкие изменения сечения. Иногда трещины возникают в закаленных изделиях в процессе их вылеживания. Основная причина во всех случаях — внутренние напряжения I и II рода. Своевременный отпуск после закалки способствует предотвращению трещинообразования. Трещины — дефект неисправимый.