Размещено на http://www.allbest.ru/

1. От каких основных факторов зависит величина зерна закристаллизовавшегося металла и почему?

Величина зерна зависит от: - степени переохлаждения; - температура нагрева и разливки жидкого металла; - химический состав и присутствие посторонних примесей. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения (?Т).

Процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров. В свою очередь, число центров кристаллизации (ч. ц.) и скорость роста кристаллов (с. р.) зависят от степени переохлаждения. Зависимость числа центров кристаллизации (а) и скорости роста кристаллов (б) от степени переохлаждения. При небольшой степени переохлаждения ?Т (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается, и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается. Часто источником образования зародышей являются всевозможные твердые частицы, которые всегда присутствуют в расплаве. Структурное сходство между поверхностями сопряжения зародыша и частицы посторонней примеси приводит к уменьшению размера критического зародыша, работы его образования, и затвердевание жидкости начинается при меньшем переохлаждении, чем при самопроизвольном зарождении. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно. Размер зерна сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.

металл деформация сталь штамповка

2. Горячая обработка металлов. Изменения структуры и свойств при горячей пластической деформации

Под горячей деформацией стали в состоянии аустенита подразумевают ее деформацию при температуре выше Aс₃ в доэвтектоидной стали и выше Аст в заэвтектоидной. В обоих случаях деформируют аустенит. Дендритная неоднородность (ликвация) сохраняется и в деформированных зернах аустенита. В результате оси дендритов становятся как бы волокнами, а между ними располагаются межосные пространства, обогащенные растворимыми и нерастворимыми примесями. При изучении макроструктуры продольного среза горячедеформированного прутка (полосы, листа) промежутки между волокнами легче вытравливаются и в рельефе остаются волокна. При сильно выраженной ликвации формируется грубое волокно и излом называют шиферным. У металла с волокнистой структурой механические свойства различны в продольном и поперечном направлениях обработки давлением, причем в поперечном направлении свойства ниже. В отдельных случаях, например для плоских пружин, волокнистый излом желателен.

При микроисследовании медленно охлажденной доэвтектоидной стали с волокнистым изломом обнаруживается полосчатая микроструктура, чередуются полосы, содержащие преимущественно феррит или перлит. Последний образуется из аустенита, обогащенного углеродом, там, где были оси дендритов, а феррит - в местах, обогащенных серой, фосфором и другими примесями. Наличие фосфора в межосных пространствах препятствует выравниванию концентрации углерода в в аустените и при его распаде перлит и феррит обособляются в виде полос. При горячей деформации некоторые включения, такие как сульфиды и силикаты, пластичны и вытягиваются вдоль обработки. Действуя как зародыши, они также способствуют обособлению феррита, который при охлаждении выпадает из аустенита в первую очередь и кристаллизуется на них в виде полос.

В том случае, если включения не пластичны при температуре горячей деформации, они располагаются в виде скоплений, образующих строчки вдоль направления обработки. Так ведут себя, в частности, вторичные карбиды в заэвтектоидной стали и особенно в легированной, содержащей вторичные и эвтектические карбиды. Это так называемая строчечная структура, основная ее часть занята ферритно-карбидной составляющей эвтектоидного происхождения, имеются строчки избыточных, вторичных и эвтектических карбидов.

Горячая деформация характеризуется таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всём объёме заготовки. Кристаллическая структура материала после обработки давлением оказывается практически равноосной, без следов упрочнения.

При горячей деформации сопротивление деформированию на порядок меньше, чем при холодной деформации, поэтому горячую деформацию применяют:

· для изготовления крупных заготовок, т.к. для деформации нагретых заготовок требуется менее мощное оборудование;

· при обработке давлением труднодеформируемых малопластичных металлов и сплавов;

· при обработке крупных заготовок из литого металла (слитков).

Горячая деформация - деформация, после которой металл не получает упрочнения. Рекристаллизация успевает пройти полностью, новые равноосные зерна полностью заменяют деформированные зерна, искажения кристаллической решетки отсутствуют. Неполная горячая деформация характеризуется незавершенностью процесса рекристаллизации, которая не успевает закончиться, так как скорость ее недостаточна по сравнению со скоростью деформации. Часть зерен остается деформированными и металл упрочняется. Возникают значительные остаточные напряжения, которые могут привести к разрушению. Такая деформация наиболее вероятна при температуре, незначительно превышающей температуру начала рекристаллизации. Ее следует избегать при обработке давлением.

3. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы. Опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,4 % С. 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 ?-железе (?-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием ? (?)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в ?-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 ЖР_4,3Л [А_2,14+Ц_6,67]. 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 ?-железа в ?-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 А_0,8П [Ф_0,03+Ц_6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008 % углерода (точка Q), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03 % - структуру феррит + цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727 ?С имеют структуру феррит + перлит и заэвтектоидные - перлит + цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147-727 ?С при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727 ?С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8 % (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727 ?С состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727 ?С состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 - Ф,

где С - число степеней свободы системы;

К - число компонентов, образующих систему;

1 - число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление, за исключением очень высокого, мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 0,4 % С, называется среднеуглеродистой сталью. Его структура при комнатной температуре феррит + перлит.

Рисунок: а - диаграмма железо-цементит, б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,4 % углерода

5. Что Такое Жаропрочная Сталь?

Жаропрочной называется такая сталь, которая при высоких температурах обладает повышенной механической прочностью. Она не деформируется и не разрушается. Основными критериями жаростойкости являются длительная прочность, износостойкость, термостойкость и медленная ползучесть.

Жаропрочные стали способны довольно продолжительное время работать под воздействием высоких температур (выше 400-600 градусов). На сегодняшний день рабочие температурные режимы некоторых деталей способны достигать отметки 1100 градусов без деформации.

Изготавливается жаропрочная сталь по специальным технологиям, которые включают в себя предварительную термообработку и легирование хромом с добавлением и других элементов, благодаря которым повышается термостойкость и прочность, таких как молибден, никель и титан. Никель обеспечивает прекрасную свариваемость стали, ну а сплавы молибденовые имеют самую высокую температуру рескристаллизации ферритных кристаллических решеток.

Жаропрочные стали делятся на три большие группы, каждая из которой обладает разными свойствами и областями применения.

Первая группа - это жаропрочная высоколегированная сталь. Она отличается повышенным содержанием никеля, хрома и молибдена. Она обладает прекрасной ударной вязкостью и низкими показателями ползучести. Применяется при изготовлении деталей, длительно работающих при высоких температурах (до 600 градусов). Пример, марки 10Х23Н18, 09Х14Н16Б.

Вторая группа - это низколегированная жаропрочная сталь. Она содержит молибден и хром, обладает повышенной износостойкостью, но рабочая температура у нее более низкая, не выше 450 градусов. (12Х1МФ, 12ХМ).

Третья группа - релаксационная жаропрочная сталь (например, 30ХМА, 25Х1МФ). В ней содержится много углерода, который дает самую низкую ползучесть и высокую упругость кристаллической решетки. Поэтому данный вид стали применяется в производстве деталей, рассчитанных на работу при температурах до 500 градусов.

Жаропрочная сталь - это великолепный материал для изготовления различных прочных деталей, обладающих стойкостью к высоким температурам. И на сегодняшний день именно производство жаростойкой стали занимает практически половину стального проката, что является прямым доказательством важности, нужности и перспективности этого металла.

6. Общая характеристика способов разливки стали в изложницы

Применяют два основных способа разливки стали в изложницы - разливку сверху и сифонную разливку. При разливке сверху (рисунок 19.1) сталь непосредственно из ковша поступает в изложницы, установленные на чугунных поддонах.

Рисунок 1. Схема разливки стали сверху:

1 - сталеразливочный ковш; 2 - изложница; 3 - поддон

После наполнения каждой изложницы шиберный затвор (или стопор) ковша закрывают, ковш транспортируют к следующей изложнице, вновь открывают шиберный затвор и после наполнения сталью новой изложницы описанный цикл операций повторяют.

С целью уменьшения напора струи и разбрызгивания металла на стенки изложниц разливку сверху иногда ведут через промежуточные ковши.

При сифонной разливке, основанной на принципе сообщающихся сосудов, сталью одновременно заполняют от двух до шести изложниц (рисунок 2). При этом из сталеразливочного ковша сталь поступает в установленную на поддоне футерованную изнутри центровую, а из нее по каналам уложенной в поддоне сифонной проводки поступает в изложницы снизу. После наполнения всех установленных на поддоне изложниц шиберный затвор (или стопор) ковша закрывают и ковш транспортируют к следующему поддону.

Рисунок 2. Схема сифонной разливки стали:

1 - центровая; 2 - прибыльная надставка; 3 - изложница (для разливки спокойной стали); 4 - поддон; 5 - сифонный припас

Сифонная разливка стали имеет следующие преимущества в сравнении с разливкой сверху:

· одновременная отливка нескольких слитков сокращает длительность разливки плавки и позволяет разливать в слитки малого развеса плавки большой массы;

· вследствие сокращения общей длительности разливки скорость подъема металла в изложнице может быть значительно меньше, чем при разливке сверху;

· поверхность слитков получается чистой, так как металл в изложнице поднимается спокойно без разбрызгивания;

· повышается стойкость футеровки ковша и улучшаются условия работы шиберного затвора вследствие меньшей длительности разливки и уменьшения числа закрываний и открываний затвора;

· во время разливки можно следить за поведением поднимающегося в изложнице металла и в соответствии с этим регулировать скорость разливки.

Недостатками сифонной разливки в сравнении с разливкой сверху являются:

· сложность и повышенная стоимость разливки, обусловленные расходом сифонного кирпича, установкой дополнительного оборудования и значительными затратами труда на сборку поддонов и центровых;

· дополнительные потери металла в виде литников (0,7-2,5 % от массы разливаемой стали) и возможность потери металла при прорывах через сифонные кирпичи;

· температура металла перед разливкой должна быть выше, чем при разливке сверху, так как он дополнительно охлаждается в каналах сифонного кирпича.

Преимуществами разливки сверху являются:

· простая подготовка оборудования к разливке и меньшая его стоимость;

· отсутствие расхода металла на литники;

· температура металла перед разливкой может быть ниже, чем при сифонной разливке.

Вместе с тем разливке сверху присущи следующие недостатки:

· образование плен на поверхности нижней части слитков, что является следствием разбрызгивания металла при ударе струи о дно изложницы. Застывшие на стенках изложницы и окисленные с поверхности брызги металла не растворяются в поднимающейся жидкой стали, образуя дефекты поверхности - плены, которые не свариваются с металлом при прокатке. В результате этого поверхность прокатных заготовок приходится подвергать зачистке;

· большая длительность разливки;

· из-за большой длительности разливки снижается стойкость футеровки ковша и ухудшаются условия работы шиберного затвора.

Высококачественные углеродистые и легированные стали разливают, главным образом, сифоном. Сифонную разливку используют также при разливке углеродистой стали обыкновенного качества в слитки малого развеса.

При сифонной разливке и разливке стали сверху потери металла в виде скрапа и недоливков составляют 0,6-1,9 %. При сифонной разливке 0,7-2,5 % разливаемой стали дополнительно теряется в виде литников.

7. Пластичность формовочных и стержневых смесей

Пластичностью называется способность смесей деформироваться под действием внешних нагрузок без нарушения целостности и сохранять приданную им форму после снятия нагрузки. Эти свойства необходимы для получения в форме отчетливого отпечатка модели. Пластичность формовочной смеси возрастает при увеличении содержания в ней воды до 6 %, глины и связующих мм и риалов, а также песка с мелким зерном.

Газопроницаемость формовочных и стержневых смесей. Газопроницаемостью называется способность смесей пропускать газы вследствие своей пористости. Из формовочных материалов во время заливки формы сплавом выделяется большое количество газов. Если газопроницаемость смеси недостаточна, то газы опадают в металл, что вызывает брак отливки по газовым раковинам. Чем крупнее и чем однороднее по размерам зерна песка. Чем меньше в смеси глины, тем газопроницаемость смеси выше. Газопроницаемость определяют прибором, на котором через стандартный образец, изготовленный из формовочной смеси, пропускают 2000 см³ воздуха и определяют время прохождения воздуха. По полученным данным по расчетной формуле подсчитывают газопроницаемость смеси в условных единицах. Газопроницаемость формовочных смесей колеблется от 30 до 150 единиц.