Ответы на билеты по материаловедению

Кривые кристаллизации металла при охлаждении с разной скоростью

Практически кристаллизация протекает при более низкой температуре, т. е. при переохлаждении металла до температур Тn, Tn1, Тn2, (например, кривые 1, 2). Степень переохлаждения (∆T=Ts-Тn) 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.
Некоторые металлы (железо, титан, кобальт, цирконий и др.) при разных температурах имеют различные кристаллические решетки. Такое явление называется полиморфизмом или аллотропией. Процесс перехода из одного кристаллического строения в другое называется полиморфным (аллотропическим) превращением.
Строение, получающееся в результате полиморфного превращения, называется аллотропической формой. Аллотропическая форма, устойчивая при более низкой температуре, обозначается индексом a, при более высокой – b, g и так далее.
Температура, при которой происходит переход решетки из одного вида в другой, называется температурой полиморфного превращения или температурой перекристаллизации. При этом изменяются свойства металла (плотность, теплопроводность, теплоемкость и др.).
Аллотропические превращения при нагревании происходят с поглощением тепла, а при охлаждении с его выделением. Как при нагревании, так и при охлаждении аллотропические превращения происходят с некоторым запаздыванием. Так, превращение a – модификации в b – модификацию, происходящее при нагревании, будет всегда выше температуры превращения b в a, происходящее при охлаждении. Такое явление называется гистерезисом.
2)Испытание металлов на твердость. Определение твердости методом викерса. Обозначение. Область применения.
Твердостью-называется сопротивление материала проникновению в него другого тела, более твердого, не получающего остаточных деформаций.
Существуют следующие методы испытания твердости:
-метод Бринеля (вдавливание стального шарика),
-метод Роквелла (вдавливание алмазного конуса или стального шарика),
-метод Виккерса (вдавливание алмазной пирамиды),
-метод определения микротвердости,
-метод Шора (метод упругой отдачи).
Твердость по Виккерсу – это твердость материала, вычисленная из размера отпечатка, произведенного нагружением алмазной пирамидки индентора. Индентор, применяемый в тестах по Виккерсу, это пирамидка с квадратным основанием, противопложные стороны которой сходятся на вершине под углом 136º. Алмаз продавливает поверхность материала при нагрузках приблизительно 120 кгс, а размер отпечатка (обычно не более 0.5 мм) измеряется на калиброванном микроскопе. Число Виккерса (HV) рассчитывается по формуле:
HV = 1.854(F/D2),
где F приложенная нагрузка (измеренная в кгс), а D2 площадь отпечатка (измеренная в квадратных миллиметрах).
Приложенная нагрузка обычно определяется при приведенном HV. Тест по Виккерсу надежен для измерения твердости металлов, а также используется для керамических материалов. Метод испытаний по Виккерсу похож на тест по Бринеллю. Точнее чем использование индентора типа стального шарика по Бринеллю, где необходимо рассчитывать площадь сферы отпечатка, приборы по Виккерсу используют пенетратор в форме квадрата с заостренными концами, т.е. имеет внешний вид игральной карты «бубны». Индентор по Виккерсу 136-градусный алмазный конус с квадратным основанием, алмазный материал индентора имеет преимущество перед другими инденторами, т.к.. он не деформируется с течением времени и использования. Отпечаток от пенетратора по Виккерсу это темный квадрат на светлом фоне. Отпечаток по Виккерсу легче «считается» по площади, чем круглый отпечаток по методу Бринелля. Как и по Бринеллю , число Виккерса рассчитывается делением нагрузки на площадь поверхности отпечатка (H = P/A). Нагрузки варьируется от 1 до 120 килограмм. 
Для выполнения теста по Виккерсу образец помещается на наковальню, которая имеет резьбовое основание. Наковальня поворачивается вверх до тех пор, пока не подойдет вплотную к индентору. Стартовый рычаг активируется, и нагрузка постепенно прикладывается к индентору. Затем нагрузка сбрасывается, и наковальня с образцом опускается. Процесс приложения и сбрасывания нагрузки контролируется автоматически. Несколько нагрузок дают практически идентичные значения твердости на одинаковом материале, что гораздо лучше, чем произвольное изменение шкалы на других твердомерах. Филярный микроскоп поворачивается над образцом для измерения квадратного отпечатка с допуском плюс/минус 1/1000 миллиметра. Измерения, сделанные по диагоналям квадратного отпечатка, усредняются. 
Правильное обозначение по Виккерсу – это число, за которым следует "HV" (Твердость Виккерса). Преимуществом измерений твердости по Виккерсу  является то, что могут быть сделаны очень точные считывания и то, что только один тип индентора используется на всех типах металлов и исследованиях поверхности.
3)Технология термической обработки стали. Закалка стали.
Термическая обработка придает стальным изделиям опреде ленные механические свойства: высокую твердость, повысив этим сопротивление износу, меньшую хрупкость для улучшения обработки или повышения ударной вязкости и т. д. Это достигается нагревом и последующим охлаждением стали по строго определенному температурному режиму. В результате в нужном направлении изменяется структура стали, которая и определяет ее механические свойства.
Различают следующие виды термической обработки стали: закалку, отпуск, отжиг и нормализацию, а также обработку холодом и химико-термическую обработку.
При закалке, как правило, стремятся к тому, чтобы получить структуру мартенсита, имеющего высокую твердость. При последующем отпуске можно повысить пластичность стали за счет снижения твердости. Структуры, полученные при отпуске мартенсита, имеют лучшие механические свойства, чем структуры, полученные при изотермическом распаде аустенита. При этом их твердость остается практически одинаковой.
В зависимости от температуры нагрева закалка подразделяется на полную и неполную.
При полной закалке доэвтектоидной стали она нагревается до температуры аустенитного состояния (на 30…50 °С выше Ас3) и после выдержки охлаждается со скоростью не менее критической. В результате мелкозернистый аустенит превращается в мелкоигольчатыймартенсит.
При неполной закалке доэвтектоидной стали нагрев производится до температур между Ас1 и Ас3, при которой в структуре сохраняетсядоэвтектоидный феррит. При дальнейшем охлаждении со скоростью VКР аустенит превращается в мартенсит, а феррит остается. Такая структура, при некотором снижении твердости и прочности, обеспечивает повышенную пластичность закаленной стали.
Заэвтектоидные стали обычно используются для изготовления инструмента, имеющего наиболее высокую твердость. Поэтому если такие стали подвергать полной закалке (нагрев выше Аст), то формируется дефектная структура грубоигольчатого мартенсита со значительным количеством остаточного аустенита, что резко уменьшает твердость. Поэтому для заэвтектоидных сталей применяется неполная закалка с нагревом до температуры на 30…50 °С выше Ас1. После резкого охлаждения образуется структура, состоящая из мартенсита и цементита.Твердость цементита выше твердости мартенсита, поэтому заэвтектоидные стали при неполной закалке имеют твердость более высокую, чем при полной.
Благодаря тому, что нагрев осуществляется ниже Аст, уменьшается рост зерна, снижаются термические напряжения при закалке. Наиболее благоприятная структура закаленной заэвтектоидной стали достигается тогда, когда вторичный цементит имеет зернистую форму. Цементитная сетка по границам зерен недопустима, так как увеличивает хрупкость. Поэтому перед закалкой сталь необходимо подвергать соответствующему отжигу.
Время нагрева детали при закалке зависит от габаритов детали и теплопроводности стали. Чаще всего оно определяется экспериментально.
Способ охлаждения зависит от формы закаливаемого изделия, его размеров и химического состава стали. Чем сложнее форма и больше сечение детали, чем выше содержание углерода в стали, тем больше опасность деформации, выше возникающие напряжения и вероятнее возможность появления трещин.  
Рисунок 3. Способы закалки: 1-непрерывное охлаждение,2- закалка в 2-х средах, 3-ступенчатая закалка, 4-изотермическая закалка
Наиболее простой способ закалки – использование одного охладителя, когда нагретое изделие остается в охлаждающей жидкости до полного охлаждения (кривая 1, рис. 3). Однако недостатком этого способа является появление значительных внутренних напряжений. Поэтому для деталей из углеродистых сталей сечением более 5 мм в качестве закалочной среды рекомендуется вода, а при меньших размерах и для легированных сталей – масло.
Для уменьшения внутренних напряжений применяется охлаждение в двух средах (кривая 2), при котором деталь сначала охлаждается в воде до 350…400 °С, а затем переносится для полного охлаждения в масло. Недостатком этого способа является трудность регулирования времени выдержки в первой охлаждающей жидкости.
Наиболее благоприятные условия для регулирования времени выдержки в первой охлаждающей жидкости достигаются при ступенчатой закалке (кривая 3). В этом случае деталь быстро охлаждается в соляной ванне с температурой, превышающей температуру начала мартенситного превращения (Мн) на 30…50 °С. После выдержки для достижения одинаковой температуры по всему сечению, дальнейшее охлаждение осуществляется на воздухе. Такая технология закалки способствует резкому снижению внутренних напряжений и возможности коробления детали. В то же время, из-за низкой скорости охлаждения в нагретой среде, в центральных областях крупногабаритных изделий скорость охлаждения может оказаться ниже критической. Поэтому максимальный размер деталей из углеродистых сталей, закаливаемых этим способом, не должен превышать 10 мм, а легированных 20…30 мм.
В тех случаях, когда после закалки на мартенсит и последующего отпуска не удается достичь достаточной прочности и вязкости, осуществляется изотермическая закалка на бейнит. Для этого нагретая деталь помещается в соляную ванну с температурой на 50…100 °С выше мартенситной точки Мн, выдерживается до завершения превращения аустенита в бейнит и охлаждается на воздухе (кривая 4). Такая закалка может применяться только для сталей, обладающих достаточной устойчивостью переохлажденного аустенита.
4) Стали для режущего инструмента. Быстрорежущие инструментальные стали. ГОСТ.
Режущий инструмент работает в условиях длительного контакта и трения с обрабатываемым металлом. В процессе эксплуатации должны сохраняться неизменными конфигурации и свойства режущей кромки. Материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твердостью  и износостойкостью, т. е. способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.