Шпаргалка по "Металлургии"

Леги́рование (нем. legieren —  «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и/или химических свойств  основного материала. Легирование  является обобщающим понятием ряда технологических  процедур, различают объёмное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное  и др.) легирование.

В разных отраслях применяются  разные технологии легирования.

В металлургии легирование  производится в основном введением  в расплав или шихту дополнительных химических элементов (например, в сталь  — хрома, никеля, молибдена), улучшающих механические, физические и химические свойства сплава. Для изменения различных  свойств (повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.) приповерхностного  слоя металлов и сплавов применяются  также и разные виды поверхностного легирования. Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения  качества металлургической продукции  и металлических изделий.

При изготовлении специальных  видов стекла и керамики часто  производится поверхностное легирование. В отличие от напыления и других видов покрытия, добавляемые вещества диффундируют в легируемый материал, становясь частью его структуры.

При изготовлении полупроводниковых  приборов под легированием понимается внесение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью  контролируемого изменения электрических  свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости.

 

 

 

 

 

 

 

8.Диаграмма состояния сплавов (основные типы)

Диаграммы состояния представляют собой графическое изображение  фазового состояния сплавов в  зависимости от температуры и  концентрации компонентов. Диаграммы  состояния строят для условий  равновесия, т. е. такого состояния сплава, которое достигается при очень  малых скоростях охлаждения или  длительном нагреве. Диаграммы состояния  сплавов в равновесном состоянии  являются теоретическими диаграммами, так как истинное равновесие в  практических условиях достигается  редко. В большинстве случаев  сплавы находятся в метастабильном состоянии, т. е. в состоянии с  ограниченной устойчивостью.

Диаграмма состояния сплавов  для случая неограниченной растворимости  компонентов в твердом состоянии

Диаграмма состояния сплавов (основные типы)

Диаграмма состояния сплавов  для случая ограниченной растворимости  компонентов в твердом состоянии.

Диаграммы состояния сплавов, образующих химические соединения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.Машиностроительные стали специального назначения

Конструкционные машиностроительные стали и сплавы специального назначения

Специальное назначение конструкционных  сталей и сплавов определяется требованием  к конкретному комплексу механических, физических, физико-химических и технологических  свойств, необходимому для эксплуатации изделий в строго определенных условиях, например, при очень высоких напряжениях, низких или повышенных температурах, динамических или гидроабразивных  нагрузках, для специального назначения в приборах и аппаратах электро- и радиотехнической промышленности.

В зависимости от химического  состава сплавы этой группы подразделяют на классы по основному составляющему  элементу:

сплавы на железоникелевой  основе;

сплавы на никелевой основе.

Классификация машиностроительных сталей и сплавов по основному  потребительскому свойству имеет следующие  группы; особо высокой прочности  и вязкости, коррозионностойкие (в  том числе, собственно коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные), износостойкие, пружинные, автоматные, шарикоподшипниковые и литейные.

Стали особо высокой прочности  и вязкости (мартенситно-стареюгцие) по химиче­скому составу являются безуглеродистыми (менее 0,03% С) и высоколегированными (Ni, Co, Мо, Cr, Ti, Be и др.). Эти стали  характеризуются следующими потребительскими свойствами:

sв= 1800...3000 МПа;

d> 10%,y>40%;

КСU=0,3...2,5кДж/м2

Технологические свойства мартенситно-стареющих  сталей - повышенные: хорошие свариваемость, обрабатываемость резанием и пластичность в закаленном состоянии; незначительная деформация деталей при отпуске, выполняемом после резания и  создающем необходимые высокие  механические свойства. Мартенситно-стареющим  сталям можно придать стойкость  против коррозии и теплостойкость. Так при дополнительном легировании  хромом (% 12%) эти стали становятся стойкими против коррозии даже в сильно агрессивных средах (морской воде, кислотах и др).

 

 

10.Анализ диаграммы  сплавов Fe-Fe3C

В системе железо — цементит существуют следующие  фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо  хорошо растворяет углерод в  любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит —  Твёрдый раствор внедрения углерода  в α-железе с ОЦК (объёмно-центрированной  кубической) решёткой.

Феррит имеет  переменную предельную растворимость  углерода: минимальную — 0,006 % при  комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 700 °C (точка P). Атомы углерода располагаются в  центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине рёбер куба, а также в дефектах решетки.

При температуре  выше 1392 °C существует высокотемпературный  феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре  около 1600 °C (точка I)

Свойства феррита  близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твердость — 130 НВ) и пластичен, магнитен (при отсутствии углерода) до 770 °C.

3. Аустенит (γ)  — твёрдый раствор внедрения  углерода в γ-железе с ГЦК  (гране-центрированной кубической) решёткой.

Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной  кубической ячейки.

Предельная растворимость  углерода в аустените — 2,14 % при  температуре 1147 °C (точка Е).

Аустенит имеет  твёрдость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен.

При растворении  других элементов в аустените  или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования.

4. Цементит (Fe3C) —  химическое соединение железа  с углеродом (карбид железа), со  сложной ромбической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Он твёрдый (свыше  1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит  фаза метастабильная и при  длительным нагреве самопроизвольно  разлагается с выделением графита.

В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может  выделяться при различных условиях:

 — цементит  первичный (выделяется из жидкости),

 — цементит  вторичный (выделяется из аустенита),

 — цементит  третичный (из феррита),

 — цементит  эвтектический и

 — эвтектоидный  цементит.

Цементит первичный  выделяется из жидкой фазы в виде крупных  пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный  выделяется из аустенита и располагается  в виде сетки вокруг зёрен аустенита (после эвтектоидного превращения  они станут зёрнами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита  и в виде мелких включений располагается  у границ ферритных зёрен.

Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.

Цементит может  при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким  отпуском выделяться в виде мелких сфероидов.

Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет  на практике для каждого конкретного  применения сплава добиваться оптимального сочетания твёрдости, прочности, стойкости  к хрупкому разрушению и т. п.

5. Графит —  фаза состоящая только из углерода  со слоистой гексагональной решёткой. Плотность графита (2,3) много меньше  плотности всех остальных фаз  (около 7,5 — 7,8) и это затрудняет  и замедляет его образование,  что и приводит к выделению  цементита при более быстром  охлаждении.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.  Основы ХТО

Химико-термической обработкой (ХТО) называется термическая обработка, заключающаяся в сочетании термического и химического воздействия с  целью изменения состава, структуры  и свойств поверхностного слоя стали.

Химико-термическая обработка  является одним из наиболее распространенных видов обработки материалов с  целью придания им эксплуатационных свойств. Наиболее широко используются методы насыщения поверхностного слоя стали углеродом и азотом как  порознь, так и совместно. Это  процессы цементации (науглероживания) поверхности, азотирования — насыщения  поверхности стали азотом, нитроцементации  и цианирования — совместного  введения в поверхностные слои стали  углерода и азота. Насыщение поверхностных  слоев стали иными элементами (хромом — диффузионное хромирование, бором — борирование, кремнием —  силицирование и алюминием —  алитирование) применяются значительно  реже.

 

Процесс химико-термической  обработки представляет собой многоступенчатый процесс, который включает в себя три последовательные стадии:

 

1. Образование активных  атомов в насыщающей среде  вблизи поверхности или непосредственно  на поверхности металла. Мощность  диффузионного потока, т. е. количество  образующихся в единицу времени  активных атомов, зависит от состава  и агрегатного состояния насыщающей  среды, которая может быть твердой,  жидкой или газообразной, взаимодействия  отдельных составляющих между  собой, температуры, давления  и химического состава стали.

 

2. Адсорбция (сорбция)  образовавшихся активных атомов  поверхностью насыщения. Адсорбция  является сложным процессом, который  протекает на поверхности насыщения  нестационарным образом. Различают  физическую (обратимую) адсорбцию  и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При химико-термической обработке  эти типы адсорбции накладываются  друг на друга. Физическая адсорбция  приводит к сцеплению адсорбированных  атомов насыщающего элемента (адсорбата)  с образовываемой поверхностью (адсорбентом)  благодаря действию Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения, и для нее характерна легкая обратимость процесса адсорбции — десорбция. При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами адсорбата и адсорбента, которое по своему характеру и силе близко к химическому.

 

3. Диффузия — перемещение  адсорбированных атомов в решетке  обрабатываемого металла. Процесс  диффузии возможен только при  наличии растворимости диффундирующего  элемента в обрабатываемом материале  и достаточно высокой температуре,  обеспечивающей энергию необходимую  для протекания процесса.

 

Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина  упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой  химико-термической обработки. Толщина  слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность  процесса насыщения, состав стали, т. е. содержание в ней тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого  слоя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13.  Отпуск и  другие виды ТО

Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур ниже критической точки Ас1 выдержка при этой температуре с последующим  охлаждением (обычно на воздухе) . Отпуск является окончательной термической  обработкой. Целью отпуска является изменение строения и свойств  закаленной стали: повышение вязкости и пластичности, уменьшение твердости, снижение внутренних напряжений.

С повышением температуры  нагрева прочность обычно уменьшается, а удлинение, сужение, а также  ударная вязкость растут (рис. 1). Температуру  отпуска выбирают, конкретной детали.

Различают следующие  виды термической обработки:

1. Отжиг 1 рода  – возможен для любых металлов  и сплавов.

Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями  в твердом состоянии.

Нагрев, при отжиге первого рода, повышая подвижность  атомов, частично или полностью устраняет  химическую неоднородность, уменьшает  внутреннее напряжения.

Основное значение имеет температура нагрева и  время выдержки. Характерным является медленное охлаждение

Разновидностями отжига первого рода являются:

диффузионный;

рекристаллизационный;

отжиг для снятия напряжения после ковки, сварки, литья.

2. Отжиг II рода  – отжиг металлов и сплавов,  испытывающих фазовые превращения  в твердом состоянии при нагреве  и охлаждении.

Проводится для  сплавов, в которых имеются полиморфные  или эвтектоидные превращения, а  также переменная растворимость  компонентов в твердом состоянии.

 

Проводят отжиг  второго рода с целью получения  более равновесной структуры  и подготовки ее к дальнейшей обработке. В результате отжига измельчается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость, улучшается обрабатываемость резанием.

Характеризуется нагревом до температур выше критических  и очень медленным охлаждением, как правило, вместе с печью (рис. 12.1 (1, 1а)).