Вариант 8
1. Назначьте режим термической обработки шестерни из стали 20Х с твердостью зуба HRC 58-62. Опишите микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины зуба после термической обработки.
Для упрочнения поверхности зубчатых колес наиболее рационально применение процесса цементации. Цементация стали – химико-термическая обработка, которая заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде (твердой или газообразной). После цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску, в результате которых цементованные изделия приобретают окончательные свойства. Цель цементации и последующей термической обработки – повышение твердости, износостойкости, также повышением пределов контактной выносливости поверхности изделия при вязкой сердцевине, что обеспечивает выносливость изделия в целом при изгибе и кручении.
Термическая обработка включает следующие стадии: цементация 900±10°С (продолжительность 7 ч), закалка при 800±10°С, охлаждение в масло, низкий отпуск при 200°С с охлаждением на воздухе.
Атомарный углерод, взаимодействуя с нагретой до аустенитного состояния сталью, диффундирует в глубь поверхностного слоя и растворяется в γ – железе. Так как γ – железо обладает способностью растворять значительное количество углерода (до 2,0 %), цементация проводится при температуре выше 920-950°C. Массовая доля углерода в поверхностном слое определяется пределом растворимости углерода в аустените (т.е. линией SE диаграммы Fe-Fe3C). При температуре цементации диффузионный слой состоит только из аустенита, а после медленного охлаждения – из продуктов его распада: феррита и цементита. Концентрация углерода при этом обычно не достигает предела насыщения (Cmax) при данной температуре. Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающую от поверхности к сердцевине детали.
Поверхностный слой имеет лучшие свойства при содержании углерода в пределах 0,9 – 1,1 %. При более высоком содержании углерода он становится излишне хрупким, при меньшем содержании высокая твердость после закалки не достигается.

Рисунок 1. Структура цементованного слоя после медленного охлаждения
Работоспособность детали зависит от свойств поверхностного слоя и сердцевины. Легирующие элементы оказывают косвенное влияние на свойства слоя, изменяя в нем концентрацию углерода.
Хром растворяется в феррите и цементите, что благоприятно сказывается на механических свойствах стали (повышает твердость и прочность, незначительно уменьшая пластичность), повышает прокаливаемость стали, повышается порог хладноломкости, увеличивает коррозионную стойкость; содержание больших количеств хрома делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил.
После термической обработки структура цементованного слоя имеет вид, представленный на рисунке 1. Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающую от поверхности к сердцевине детали. В связи с этим после медленного охлаждения в структуре цементованного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны:
заэвтектоидную, состоящую из перлита и вторичного цементита, последний образует сетку по бывшему зерну аустенита;
эвтектоидную, состоящую из пластинчатого перлита;
доэвтектоидную, состоящую из перлита и феррита (см. рис. 1). Ближе к сердцевине изделия содержание углерода снижается, а, следовательно, в структуре стали уменьшается количество перлита и увеличивается количество феррита.

Рисунок 2. Микроструктура цементованного слоя
Структура стали 20Х в исходном состоянии имеет перлит в виде очень маленьких островков и феррит, что должно обеспечить хорошие технологические свойства сердцевины после термообработки.
Структура цементованного слоя (рисунок 2) представлена мелкоигольчатым мартенситом, кроме того, можно также обнаружить некоторые количества (около 15%) остаточного аустенита.

2. В результате термической обработки детали машин должны получить повышенную прочность по всему сечению (твердость НВ 250-280). Для их изготовления выбрана сталь 35Х2МА: а) расшифруйте состав и определите группу стали по назначению; б) назначьте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки стали; в) опишите структуру и свойства стали после термической обработки.
Сталь 35Х2МА – легированная конструкционная высококачественная сталь, которая содержит в среднем 0,35% углерода, 2% хрома, 1% молибдена.
Деталь должна обладать примерно равными свойствами на протяжении всего сечения. Поэтому назначаем следующую термическую обработку, состоящую из закалки с последующим высоким отпуском. Температура и продолжительность закалки: поскольку сталь доэвтектоидная ее нагревают под закалку до температуры на 30..50°С выше температуры Ас3. Для данной стали температура нагрева под закалку составляет 840…860°С. Исходная структура стали феррит + перлит при нагреве стали до температуры закалки (выше Ас3) и выдержки при этой температуры превращается в аустенит. Продолжительность выдержки при температуре аустенизации должна обеспечить прогрев детали по сечению и завершение фазовых превращений, но не более, иначе будет происходить нежелательный рост зерна, что в последующем приведет к охрупчиванию материала.
Последующее охлаждение материала производят в масле, чтобы обеспечить скорость оптимальную скорость охлаждения. При такой скорости диффузионный распад аустенита подавляется – аустенит претерпевает только мартенситное превращение. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-Fe. При закалке не весь аустенит превращается в мартенсит и структура закаленной стали представляет собой мартенсит и остаточный аустенит.
Образование мартенсита в результате закалки приводит к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, но резко возрастает склонность материала к хрупкому разрушению, особенно при динамических нагрузках. Поэтому проводят окончательную операцию термической обработки – высокотемпературный отпуск, при котором снимаются остаточные напряжения и обеспечиваются необходимые механические свойства материала. Отпуск производят при температуре 550°С с последующем охлаждением в масло. Структура стали после отпуска – троостит отпуска (рисунок 3).

Рисунок 3. Микроструктура сорбита
Легирующие элементы увеличивают конструкционную прочность стали, что достигается при их использовании в термически упрочненном состоянии – после закалки и отпуска. В отожженном состоянии легированные стали практически не отличаются от углеродистых, поэтому обеспечение необходимой прокаливаемости – это первостепенная задача легирования. Легирующие элементы повышают устойчивость переохлажденного аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Возможность менее резкого охлаждения при закалке уменьшает в них напряжения и опасность образования трещин.

3. Для изготовления постоянных магнитов сечением 50×50 мм выбран сплав ЕХ: а) расшифруйте состав и укажите, к какой группе сплавов относится данный сплав по назначению; б) назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование и опишите структуру и свойства сплава после обработки; в) объясните, почему в данном случае нельзя применить сталь У12.
Сплав ЕХ – сплав прецизионный магнитно-твердый, применяемый для магнитов неответственного назначения, обладает малой магнитной энергией из-за относительно невысокой коэрцитивной силой. Состав сплава представлен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав сплава, %
C Si
Mn
Ni
S P Cr
0,9 – 1,1 0,17 – 0,4 0,2 – 0,4 до 0,3 до 0,02 до 0,03 1,3 – 1,6

Для получения высокой коэрцитивной силы в магнитных материалах кроме выбора химического состава используют технологии, оптимизирующие кристаллическую структуру и затрудняющие процесс перемагничивания. Стали, используемые для постоянных магнитов, должны содержать большое количество углерода, который обязательно должен находиться в твердом растворе, т.е. сталь должна быть закалена на мартенсит. Кроме этого, для получения высокой коэрцитивной силы, сталь должна иметь неравновесную структуру (мартенсит с высокой плотностью дефектов строения).
Мартенситовая структура в сталях получается путем их быстрого охлаждения до комнатной температуры (закалка), начиная с температур, при которых они являются раствором углерода в γ-железе, называемом аустенитом. При такой закалке железо превращается в магнитное α-железо. Поэтому быстрое охлаждение приводит к тому, что часть раствора углерода в железе остается и создает с частицами α-железа мартенситовую структуру. Эта структура обеспечивает магнитную твердость материалу, но при повышении температуры может быть уничтожена, и сталь приобретает свойства магнитно-мягкого материала.
В результате закалки сталь приобретает мелкозернистую игольчатую структуру, в которой зерна стали имеют вид тонких иголок или штрихов. Эта структура неустойчива и с течением времени распадается, что приводит к уменьшению коэрцитивной силы и остаточной индукции. Такое естественное старение совершается очень медленно. Для получения стабильных свойств постоянные магниты подвергают искусственному старению – нагревают до 100°С и охлаждают до 0°С в воде.
Углеродистая сталь применяется для изготовления небольших по размеру магнитов, поэтому для производства магнита заданных размеров приметь стал У12 не целесообразно.

4. Для изготовления некоторых деталей самолета выбран сплав АМг3: а) расшифруйте состав и опишите способ упрочнения этого сплава, объяснив природу упрочнения; б) приведите характеристики механических свойств сплава.
Сплав АМг3 – деформируемый алюминиевый сплав, применяемый для изготовления полуфабрикатов методом горячей или холодной деформации; обладает высокой коррозионной стойкостью. Химический состав представлен в таблице 2.
Таблица 2
Химический состав сплава, %
Fe
Si
Mn
Cr
Ti
Al
Cu
Mg
Zn
до 0,5 0,5 – 0,8 0,3 – 0,6 до 0,05 до 0,1 93,8 – 96,0 до 0,1 3,2 – 3,8 до 0,2

Сплав обладает высокой коррозийной стойкостью, хорошо сваривается точечной, роликовой, газовой сваркой. Сплав хорошо деформируется в холодном и горячем состояниях. Интервал горячей деформации находится в пределах 340…430°C, охлаждение после горячей деформации на воздухе.
Структура сплава АМг3 представляет собой только α-твердый раствор магния в алюминии. Для того чтобы повысить прочность и измельчить зерно, в эти сплавы добавляется марганец, который образует дисперсные частицы Al6Mn. Входя в кристаллическую решетку алюминия, атомы марганца и магния существенно повышают его прочность, снижая при этом пластичность.
Данный сплав относится к деформируемым алюминиевым сплавам, не упрочняемым термической обработкой. Эффект от закалки и старения сплава невелик, поэтому сплав АМг3 используют в отожженном (мягком – М), реже – в нагартованном (Н – 80 % наклепа) и полунагартованном (П – 40 % наклепа) состояниях. Резкое снижение пластичности в результате наклепа ограничивает применение данного вида механической обработки.
При изготовлении профилей применяют два вида отжига: низкий при температуре 270…300° C и высокий при 360…420°C. Охлаждение после отжига на воздухе.
Механические свойства:
предел прочности σВ = 220 МПа,
предел текучести σ0,2 = 110 МПа,
относительное удлинение δ = 20%).

5. Укажите принципиальное отличие процессов кристаллизации полимеров и металлов.
Переход материалов из жидкого состояния в твердое с образованием называется первичной кристаллизацией. Различия при кристаллизации металлов и полимеров следующие:
1. Характер роста кристаллов. Для металлов рост кристаллов происходит путем присоединения атомов из жидкости к зародышу; у полимерных материалов – присоединением целых цепочек из макромолекул к растущему кристаллу.
2. Скорость роста кристаллов. У металлов она более высокая, поскольку диффузионная подвижность атомов металла выше, чем у макромолекул.
3. Величина образующихся кристаллов. Величина кристалла – не принципиальное отличие. В отдельных случаях можно и при кристаллизации металла получить крупные кристаллы.

Вариант 8 1 Назначьте режим термической обработки шестерни из стали 20Х с твердостью зуба HRC 58-62