Оглавление
Задание 1. 2
Задание 2. 5
Задание 3. 8
Задание 4. 9
Список использованной литературы.. 11
 

Задание 1

Как и с какой целью управляют размером зерна при кристаллизации металла? Приведите конкретные примеры.
Размером зерна металла можно целенаправленно управлять путем изменения условий кристаллизации или применением термической обработки.
Размером зерна металла можно управлять целенаправленно путем модифицирования модификаторами I рода- Ti, Nb, Ta, Mo, Zr, V, W и др. и модификаторами II рода – Mg, Ca, РЗМ, CaSi и др., изменяя условия кристаллизации, и термической обработкой.
Изменить число центров и размер зерна можно четырьмя методами:
изменить скорость охлаждения и тем самым величину переохлаждения;
увеличить или уменьшить перегрев металла перед разливкой;
ввести в жидкий металл мельчайшие нерастворимые примеси;
уменьшить путем добавки активных растворимых примесей поверхностное натяжение.
Последние два метода осуществляются при модификации, соответственно гетерогенной и гомогенной. Модифицирование осуществляют введением специальных добавок, образующих тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды и оксиды).
Процесс кристаллизации начинается от стенок формы, которые играют туже роль, что и нерастворимые примеси. На поверхности слитков образуется труднообрабатываемый слой из мелких кристаллов, который удаляют в металлургическом переделе.
При быстром и неравномерном охлаждении зерна принимают вытянутую форму. Такую структуру можно наблюдать в сварном шве меди.
Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Т_п. Разность между температурами Т_п и Т_к, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения:
ΔТ=Тп-Тк.
Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью , показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 - Кривые охлаждения металла при кристаллизации 
 При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре близкой к равновесной Т_п. На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.
С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые υ₂, υ₃) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации.
Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость роста их, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.
При небольшой скорости переохлаждения ΔТ (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.
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.
Размер зерна при первичной кристаллизации зависит от многих причин:

• температуры нагрева жидкого металла и времени выдержки при ней,
• температуры заливки в форму,
• способа заливки металла,
• способа охлаждения и др.

Теория кристаллизации показывает, что число образующихся зерен и размер их определяются:

• числом центров кристаллизации, самопроизвольно возникающих в жидкости в момент начала затвердевания,
• и скоростью роста каждого кристалла.

Обе эти величины зависят от скорости охлаждения металла в процессе кристаллизации.

Рисунок 2 – Схематично изображена зависимость размеров зерен от скорости охлаждения.
Величина зерен, образующихся при кристаллизации, зависит не только от количества самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле. Такие нерастворимые примеси являются готовыми центрами кристаллизации. Ими являются окислы (например, Al2O3), нитриды, сульфиды и другие соединения. Центрами кристаллизации в данном металле или сплаве могут быть только такие твердые частицы, которые соизмеримы с размерами атомов основного металла. Кристаллическая решетка таких твердых частиц должна быть близка по своему строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Чем больше таких частичек, тем мельче будут зерна закристаллизовавшегося металла.
Так, при модифицировании магниевых сплавов зерно уменьшается от 0,2-0,3 до 0,01-0,02 мм, т. е. в 15-20 раз. Модифицирование отливок проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, окислы). При модифицировании, например, стали применяют алюминий, титан, ванадий; алюминиевых сплавов - марганец, титан, ванадий.
Иногда в качестве модификаторов применяют поверхностно-активные вещества, они растворяются в жидком металле. Эти модификаторы осаждаются на поверхности растущих кристаллов, образуя очень тонкий слой. Этот слой препятствует дальнейшему росту кристаллов, придавая металлу мелкозернистое строение.
 

Задание 2

Собирательная рекристаллизация. Механизмы роста зерна (зародышевый, миграционный, слияние зерен)
Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зёрен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения. В результате рекристаллизации вместо деформированных зёрен образуются новые, равноосные зёрна.
Рекристаллизация происходит при более высоких температурах и состоит из трёх стадий: 1) первичная (обработки); 2) собирательная; 3) вторичная.
После завершения первичной рекристаллизации при дальнейшем нагреве металла происходит рост одних рекристаллизованных зёрен за счёт других. Этот процесс называют собирательной рекристаллизацией. Собирательная рекристаллизация связана с тем, что увеличение зёрен уменьшает свободную энергию металла за счёт уменьшения поверхностной энергии. Чем крупнее зёрна, тем меньше суммарная поверхность границ. Рост зёрен происходит за счёт перехода атомов одного зерна через границу к другому. В результате одни зёрна исчезают, а другие становятся более крупными. С повышением температуры скорость роста зёрен увеличивается. Для разных зёрен скорость роста различна, но соизмерима между собой. Поэтому большого отличия в размерах зёрен после собирательной рекристаллизации не наблюдается [2].
В отличие от первичной, собирательная рекристаллизация не связана с пластической деформацией. Она происходит при нагреве любого металла, в том числе и недеформированного.
Особенность собирательной рекристаллизации заключается в том. что рост происходит не в результате слияния нескольких мелких зерен в одно более крупное зерно, а одни зерна растут за счет других зерен, «поедая» их вследствие перехода атомов через границы раздела зерно на одном участке может расти за счет соседнего зерна, а на другом участке может поглощать­ся другим, соседним с ним зерном. Процессы собирательной рекристалли­зации могут совершаться и до полного завершения первичной рекристалли­зации.
Собирательная рекристаллизация - процесс роста одних зерен данной фазы за счет других при практически равной объемной энергии, совер­шающийся миграцией границ под влиянием неуравновешенности сил зер-нограничного натяжения в тройных стыках и кривизны границ в направле­нии уменьшения неуравновешенности и кривизны.
Под действием неуравновешенности стыки мигрируют в направлении приближения углов в стыках к 120^е, а границы мигрируют к своим центрам кривизны.
В результате собирательной рекристаллизации происходит статистиче­ски однородное укрупнение зерен. Кривая распределения зерен по разме­рам смещается в сторону более крупных зерен, не меняя своего характера.
 
         Вторичная (или собирательная рекристаллизация) заключается в росте зерен и протекает при более высоких температурах, чем первичная. Возможны три существенно различных механизма роста зерна:
1) зародышевый – состоящий в том, что после первичной рекристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, которые затем растут;
2) миграционный – состоящий в перемещении границы зерна и в увеличении его размеров;
3) слияние зерен – состоящее в постепенном «растворении» границ зерен и объединении многих мелких зерен в одно крупное.
 По какому механизму будет идти рекристаллизационный процесс, зависит от температуры.

Задание 3

Вал, изготовленный из стали 35, после проведения термообработки по правильным режимам обладает недостаточной прочностью. Как подобрать подходящую марку и режимы ее термообработки? Обоснуйте свое решение.
Валом называют деталь (как правило, гладкой или ступенчатой ци­линдрической формы), предназначенную для поддержания установленных на ней деталей, и для передачи вращающего момента. При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях помимо изгиба и кручения валы могут испытывать деформацию растяжения (сжатия).
Основными причинами выхода из строя валов являются:
·        вязкое разрушение вследствие значительных перегрузок из-за нарушений условий эксплуатации; низкое качество материала;
·        усталостное разрушение. Его причинами являются циклические напряжения выше предела выносливости; растягивающие напряжения в поверхностном слое; наличие концентраторов напряжений (малые радиусы закруглений, надрезы и т.д.);
·        окислительное изнашивание из-за длительного трения сопряженных поверхностей.
В качестве материала для валов чаще всего применяют углеродистые и легированные стали, так как они обладают высокой прочностью, способностью к поверхностному и объемному упрочнению, легко получаются прокаткой цилиндрические заготовки и хорошо обрабатываются на станках. В зависимости от условий работы в качестве материалов валов следует применять следующие углеродистые и легированные стали: качественные стали 40, 45, 50, сталь 40Х – для валов с термообработкой (термическая обработка: закалка и высокий отпуск); стали 20, 20Х – для быстроходных валов на подшипниках скольжения (термическая обработка: цементация, закалка, низкий отпуск); углеродистые стали обыкновенного качества Ст4, Ст5 – для неответственных валов без термообработки.
 

Задание 4

Для изготовления деталей простой конфигурации, работающих при ударных нагрузках, выбран сплав ЛМц58-2: а) расшифруйте состав и определите к какой группе относиться данный сплав; б) опишите структуру сплава; в) объясните назначение легирующих элементов; г) приведите характеристики механических свойств.
 
Сплав ЛМц58-2 – латунь, обрабатываемая давлением. Химический состав сплава представлен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав, %

Fe	Mn	P	Cu	Pb	Zn	Sb	Bi	Примесей
до 0,5	1 – 2	до 0,01	57 – 60	до 0,1	35,8 – 42	до 0,005	до 0,002	всего 1,2

  Микроструктура данного сплава имеет двухфазную структуру, состоящую из α- и β-фаз, при том на зернах α-фазы имеются ее двойники (рисунок 1).
Легирующим элементом в данном сплаве является марганец. Он улучшает стойкость сплава в морской атмосфере.
Механические свойства представлены в таблице 2.
Таблица 2
Механические свойства латуни

Прокат	Предел прочности σв, МПа	Относительное удлинение δ, %
Сплав мягкий	380…450	38…45
Сплав твердый	680…750	5…10