11. Описати структуру та властивості чавунів (білих, сірих, високоміцних, ковких, спеціальних).

Чавуни – залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю від 2,14 до 6,67%. Крім заліза й вуглецю, вони містять кремній, марганець, фосфор і сірку в більшій кількості, ніж сталі.

Мають добрі ливарні властивості, тому застосовуються для виготовлення відливок; достатньо міцні, дешевші від сталі, їх не можна обробляти тиском.

На структуру чавунів впливає хімічний склад і швидкість охолодження.

За структурою чавуни ділять на білі, сірі, ковкі та високоміцні.

Білі – чавуни, в яких весь вуглець перебуває у вигляді цементиту (злами мають білий колір). Кристалізація білих чавунів характеризується діаграмою стану Fe-Fe3C; в структурі вони містять тверду і крихку евтектику – ледебурит, тому не застосовуються для виготовлення деталей машин.

Сірі, ковкі, високоміцні чавуни широко використовують як конструкційні матеріали, всі вони в структурі містять включення графіту.

Ковким називається чавун, в якому графіт має пластівчасту (кляксоподібну). Така форма графіту утворюється з білого чавуну внаслідок його тривалій витримці (відпалюванні) при температурі 950...1000оС. Назва “ковкий” не означає, що цей чавун можна кувати, або піддавати будь-якій іншій обробці тиском. Це суто ливарний матеріал а назва свідчить тільки про його більшу пластичність порівняно із сірим чавуном. Ковкий чавун поділяється на марки: КЧ30-6; КЧ33-8; КЧ35-10; КЧ37-12; КЧ45-6; КЧ50-4; КЧ56-4; КЧ60-3; КЧ63-2 (К – ковкий, Ч – чавун, перші дві цифри показують міцність у кг/мм2, другі – відносне видовження в процентах). Хімічний склад ковкого чавуну знаходиться в межах: 2,4...2.8%С; 0,8...1,4% Si; 0,3...1,0% Mn; 0,08...0,1% S; до 0,2% P. Понижені значення вмісту вуглецю та кремнію і підвищений марганцю потрібні для того, щоб у виливках була структура білого чавуну. З цією ж метою товщина стінок виливків не повинна перевищувати 40...50 мм. При більших розмірах в стінках можливе утворення пластинчатого графіту і чавун стає непридатним для відпалювання.

Високоміцним називається чавун, в якому графітні включення мають кулясту форму. Така форма графіту утворюється при обробці рідкого чавуну невеликими дозами таких елементів як магній, церій, кальцій, ітрій. Ці елементи називаються модифікаторами. Вони, практично, не змінюють хімічний склад сплавів, зате суттєво впливають на їхню структуру, змінюючи форму графітних включень, розмір зерен, їх розташування тощо. Як модифікатор для виготовлення чавуну з кулястим графітом найчастіше всього використовується магній – найбільш ефективний і дешевий елемент. Остаточний вміст магнію для отримання кулястого графіту становить 0,04...0,06%. За вмістом решти елементів високоміцний чавун не відрізняється від сірого, за винятком сірки, якої у високоміцному чавуні 0,01...0,03%. Таке зменшення вмісту сірки відбувається завдяки тому, що магній при обробці рідкого чавуну активно реагує із сіркою з утворенням нерозчинних у чавуні сульфідів магнію Mg2S.

12. Охарактеризувати сутність термічної обробки сталі (відпалу,гартування,відпуску) та її вплив на властивості.

Основні види термічної обробки сталі - загартування, нормалізація, відпустка, відпал

Відпал. Технологія цього процесу складається з нагрівання сталевих заготовок, витримки з подальшим повільним охолодженням, після чого в металі досягається рівноважна структура. Його завданням є зменшення внутрішньої напруги в сплаві, а також збільшення пластичності. Така термічна обробка сталі підрозділяється на два роду. Вони мають суттєві відмінності. У першому випадку термічна обробка стали не передбачає структурних змін, заснованих на фазових перетвореннях.

Відпал I роду. Даний вид термообробки підрозділяють на 4 групи:

- Гомогенізація. Сплавів після кристалізації притаманний нерівномірний склад хімічних компонентів як для одного зерна, так і для всього обсягу злитка, що обумовлюється різними температурами плавлення елементів. Такі нерівноважні структури більшою мірою характерні для легованих сталей. Оскільки урівноваження хімічного складу відбувається завдяки дифузії, для його здійснення потрібні високі температури. До 1100-1200 ordm-С заготовки стали нагріваються в спеціальних печах, в яких витримуються від 8 до 15 годин, після чого відбувається повільне охолодження в печі (6-8 годин) до 800-850 ordm-С. Після досягнення необхідної температури заготовки доохлаждается на повітрі. Така термічна обробка легованих сталей забезпечує їх пластичність, що значно полегшує їх обробку деформацією.

- Відпал рекристалізації. Його застосовують для зняття ефекту зміцнення сталі, пов'язаного з холодною пластичною деформацією, в результаті якої утворюються дефекти кристалічної решітки, звані дислокаціями і вакансіями. При утворенні такої структури відбувається сплющування і витягування зерен металу, через що виникає наклеп і зменшується пластичність сплаву.

- Відпал для зняття залишкових напруг. Внутрішні напруги в сталевих деталях виникають в результаті таких процесів, як зварювання, лиття, різання, шліфування, гаряча деформація. Вони досягають досить великих величин. У підсумку укупі з робітниками згодом викликають руйнування металу.

Відпал II роду. За допомогою цього процесу рівноважна структура матеріалу досягається при фазових перетвореннях. Структура стали після термічної обробки частково або повністю змінюється. Кардинальна зміна будови сплаву відбувається завдяки подвійній перекристалізації, в результаті якої відбувається зменшення розмірів зерен, усунення внутрішніх напружень, зняття наклепу. Види термічної обробки сталі - повний (пом'якшувальний) і неповний отжиг.

Загартування. Це термічна обробка сталі, завдяки якій відбувається підвищення її міцності, зносостійкості, твердості, межі пружності, а також зниження пластичних властивостей. Технологія гарту складається з нагріву до певної температури (приблизно 850-900 ordm-С), витримки і різкого охолодження, завдяки якому ці властивості і досягаються. Загартування є найпоширенішим способом поліпшення фізико-механічних властивостей сплаву. Види термічної обробки сталі: з поліморфним перетворенням і без такого.Загартування з поліморфним перетворенням використовують для сталей, у складі яких присутній елемент, здатний до поліморфним перетворенням.Сплав нагрівається до температури зміни кристалічної решітки полиморфного елемента. В результаті нагрівання збільшується розчинність легирующего компонента. При зниженні температури тип решітки змінюється у зворотний бік, але оскільки воно відбувається з великою швидкістю, в сплаві залишається надмірна концентрація елемента зі зміненою решіткою. Так виникає нерівноважна структура, що є термодинамічно нестійкою. Голчаста мікроструктура сталі, після термічної обробки утворилася в сплаві, називається мартенситом. Для зняття залишкових напруг метал далі піддають відпустці.

Відпустку. Це термічна обробка сталі, спрямована на ослаблення внутрішніх напружень, які виникають при загартуванню, а також на підвищення в'язкості. Така обробка застосовується до сталей, які зазнали поліморфні перетворення. Режими термічної обробки сталі включають нагрів до температури 150-650 ordm-С, витримку та охолодження, швидкість якого ролі не грає. У процесі відпустки більш тверді, але нестійкі структури перетворюються в більш пластичні і стабільні. Відпустка буває високим, середнім і низьким.

При низькому відпустці відбувається нагрів до 150-250 ordm-С, наступна витримка до 1,5 годин і охолодження на повітрі або в маслі. Змінюється кристалічна решітка мартенситу, яка не впливає на твердість, підвищує в'язкість і знімає внутрішні напруження. Таким способом обробляють ріжучий і вимірювальний інструмент.

При середньому відпустці відбувається нагрів до 300-500 ordm-С. Структура стали представлена троостита відпустки. Сталеві деталям після обробки притаманні високі пружні властивості і характеристики. Так відбувається обробка пружин, мембран, ресор.

Для високого відпустки характерна температура нагріву в 450-650 ordm-С, що призводить до утворення сорбіту. Вироби стають менш твердими, пластичними, мають високу ударну в'язкість. Йому піддаються зубчасті передачі, осі, валки та інші відповідальні деталі механізмів.