primer_KR_materialovedenie

.МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ОБРАЗОВАНИЯ.

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального обучения.

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНЕВЕРСИТЕТ.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА. Материаловедение.

Студент Хряпин Игорь Станиславович

Факультет Энергетический Специальность 140211.65 Электроснабжение Шифр № 8101061026

Санкт-Петербург

2010г.

1

		СОДЕРЖАНИЕ
1.	Задание №1 ........................................................................................	3
2.	Задание №2 .......................................................................................	7
3.	Задание №3 .......................................................................................	9
4.	Задание №4 .....................................................................................	12
5.	Задание №5 .....................................................................................	18
Список литературы ............................................................................		22

2

1. Задание №1

Условие: Сталь марки 50 после одного вида термической обработки получила структуру феррит + пластинчатый перлит, после второго - мартенсит + феррит и после третьего - мартенсит. Указать, какие виды термической обработки применены в каждом случае. Определить по диаграмме железо-цементит, до какой области температур была нагрет сталь при каждом виде термической обработки и указать, какие превращения она претерпела в процессе охлаждения в каж дом из трех случаев

Ответ: Железоуглеродистые сплавы - основные конструкционные материалы, которые используются в машиностроении, строительстве, транспорте и других отраслях народного хозяйства. Изменяя состав и структуру, получают сплавы с самыми разнообразными свойствами, что и делает их универсальными конструкционными материалами.

О структуре железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры, а также о возможности изменения микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства сплавов, судят по диаграмме состояния системы железо-углерод.

Диаграмма железо-цементит, рис. 1:

3

Рис. 1. Структурная диаграмма состояния железо-цементит. Слева - фрагмент диаграммы.

А - аустенит - ограниченным твердый раствор внедрения углерода в кристаллической решетке Fey. Тип решетки - ГЦК. Максимальная растворимость углерода - 2,14% при температуре 1147° C (точка Е на диаграмме). Устойчива от температуры плавления сплавов до tmin = 727° C. Особенность: с понижением температуры устойчивость А обеспечивается во все более сужающемся диапазоне растворимости углерода. При температуре= 727° CА устойчив только при определенном содержани и углерода (0,8%) - точка S. При падении температуры ниже 727° C А распадается и переходит в П.

П - перлит - эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита. Содержание углерода - 0,8% .Образуется в результате перераспределения

углерода в А при t < 727° C. Строение: слоистая структура из пластинок Ф и Ц.

Ф - феррит - ограниченный твердый раствор внедрения углерода в

кристаллической решетке Fea; ОЦК-решетка; содержание углерода –

4

меньше 0,006% при t=20° C. Из-за малого содержания углерода по свойствам Ф аналогична чистому железу.

Ц - цементит - химическое соединение Fe3C - карбид (сложная кристаллическая решетка). С= 6,67%. Ц - самая высокоуглеродсодержащая фаза. Это самый твердый и прочный из всех сплавов.

ЛА - ледебурит аустенитный - эвтектическая смесь фаз А и Ц. Образуется при температуре 1147° C (линия ECD).

ЛП - ледебурит перлитный - эвтектическая смесь фаз П и Ц. Образуется из ЛА при температуре <727° C в результате распада А.

Основные линии на диаграмме.

-ACB - линия ликвидус.

-AECD - линия солидус.

-ECD - линия эвтектического превращения; С - точка эвтектики (ледебурит).

-SE - линия предельной растворимости С в А; ниже линии С выделяется в виде Цц.

-GS - нижняя граница устойчивости А; ниже линии часть кристаллов

Атеряет С и превращается в Ф, остальны е кристаллы получают С и остаются устойчивыми.

-PSK - линия эвтектического превращения; ниже линии А переходит

в П.

-PM - линия предельной растворимости С в Ф; избыточный углерод - в виде Цш

GP - верхняя граница ферритной области; для любой двухфазной области диаграммы применимо правило отрезков. Диаграмма делится на области по содержанию углерода: 0 -2,14% - сталь (0-0,8% - доэвтектоидная сталь, 0,8-2,14% - заэвтектоидная сталь); 2,14-6,67% - чугун (2,14-4,3% - доэвтектический чугун, 4,3-6,67% - заэвтектический чугун).

Внашем случае Сталь 50 - конструкционная углеродистая доэвтектоидная (С = 0,5%) качественная сталь. Применяется: после нормализации с отпуском или закалки с отпуском - для изготовления

зубчатых колес, прокатных валов, штоков, тяжелонагруженн ых валов, осей,

5

бандажей, малонагруженных пружин и рессор, лемехов, пальцев звеньев гусениц, муфт сцепления коробок передач, корпусов форсунок и других деталей, работающих на трение.

Первый вид термической обработки - отжиг (полный) - термическая операция, заключающаяся в нагреве металла, находящегося в не равновесном состоянии и переводе его в более равновесное состояние. Фазовая перекристаллизация, заключающаяся в нагреве выше Ас3 (в нашем случае 7600С) с последующим медленным охлаждением. Если нагрев пров одится в интервале температур Ас1 - Ас3, такой отжиг называется неполным. При отжиге структура сталей - равновесная Ф + П, П, П + Ц (после охлаждения). При данной термической обработке Аустенит при охлаждении при температуре 723° С распадается на феррит и цементит. Перлитное превращение всегда начинается на границах зерен аустенита. Чтобы возникли частицы новой фазы, нужно создать зоны пониженной и повышенной концентрации углерода. Исходный аустенит содержит 0,8% углерода, а в результате превращения образуется феррит, практически не содержащий углерода, и цементит с 6,67% углерода. Для объяснения этих процессов предложен флуктуационный механизм, согласно которому атомы углерода с большой диффузионной подвижностью при высоких температурах, могут создавать зоны с повышенной концентрацией углерода. Этот процесс является энергетически выгодным, и зародыш цементита вырастает до критического размера.

Если содержание углерода в стали не равно 0,8%, то из аустенита при охлаждении выделяется не только перлит, но и дру гие фазы. Если углерода менее 0,8%, выделяется избыточное количество феррита и сталь приобретает феррито-перлитную структуру, а при содержании углерода более 0,8% у стали перлито-цементитная структура.

Второй вид термической обработки - неполная закалка (нагрев до температуры выше критической точки Ас1 но ниже Ас3). Ас1 для стали 50 = 7250С, Ас=7600С. Если доэвтектоидная сталь была нагрета до температуры между критическими точками Ас1и Ас3,то при таком нагреве часть феррита не превратится в аустенит. После охлаждения аустенит превратится в

6

мартенсит, а феррит останется в закаленной стали. В результате после закалки в воде получится структура мартенсит + феррит с пониженной твердостью. Такая закалка для доэвтектоидных сталей не применяется.

Второй вид термической обработки - полная закалка (выше критической точки Ас3 на 20...300С).В доэвтектоидной (среднеуглеродистой) стали после такой закалки, т.е. нагрева до температуры Ас 3 + (20...30°С) и последующего быстрого охлаждения в воде, образуется структура мелкоигольчатого мартенсита или так называемого скрытокристаллического мартенсита.

2. Задание№2

Условие: Некоторые внутриреакторные детали механизмов управления (штоки, штанги, захваты, ответственный крепеж) работают в контакте с химически активной средой и по характеру нагружения должны обладать оптимальным сочетанием прочности и вязкости. Выбрать подходящую марку стали, указать химический состав и роль легирующих элементов. Обосновать режим термической обработки, привести окончательную структуру и механические свойства стали.

Ответ: Выберем мартенситно-стареющую сталь аустенитномартенситного класса 08Х15Н5Д2Т. Расшифруем марку - Углерод 0,8%, Хром 15%, Никель 5%, Медь 2%, Титан 0,1-0,2%.

Содержание углерода определяет главным образом механические свойства стали. С увеличением в стали содержания углерода увеличиваются ее твердость, прочность и закаливаемость, повышает порог хладоломкости, но понижаются ударную вязкость, ковкость и теплопроводность.

Хром является одним из самых важных легирующих элементов в черной металлургии. Он повышает твердость, прочность и упругость стали, но понижает вязкость и теплопроводность. Добавка хрома к обычным сталям (до 5 % Сг) улучшает их физические свойства, повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной

7

твердости стали. Еще большее увеличение хрома (больше 10 %) делает сталь более стойкой к окислению и коррозии, уменьшает износостойкость и твердость за счет снижения связываемого с хромом углерода.

Никель в свою очередь увеличивает пластичность, вязкость и прочность стали. Никель не влияет на ковкость стали, но при нагреве никелевых сталей образуется окалина, которая прочно удерживается на поверхности заготовки. Окалина может заковываться в деталь и тем самым понижать ее механические качества.

Введение в хромистые стали никеля, значительно повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости. При необходимости можно заменить никель медью, это не приводит к снижению вязкости.

Титан вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.

Высокий уровень прочности достигаемый в данной стали, обусловлен процессами старения в безуглеродистом (содержание углерода не превышает 0,03%) мартенсите, который в исходном, несостаренном состо янии обладает высокой пластичностью и относительно малой прочностью. Упрочнение обеспечивается старением мартенсита при температуре 450 - 550°С и обусловлено процессами образования высокодисперсных интерметаллидных фаз типа NiTi, Ni3Ti, Fe2Mo и др.

Мартенситно-стареющие стали обладают хорошими технологическими свойствами. В закаленном состоянии мартенсит этих сталей пластичен и может подвергаться деформации, обработке режущим инструментом и т.д.

Предел прочности такой стали после закалки с температуры 9500С- 9700С составляет 700-800 МПа. Структура мартенситно-стареющей стали после закалки представляет собой так называемый массивный или реечный мартенсит, имеющий высокую плотность дефектов кристаллической решетки. Электронно-микроскопические исследования тонкой структуры такого мартенсита показали, что основная масса кристаллов имеет неправильную форму. Наиболее крупные кристаллы имеют среднюю полосу

8

- мидриб, представляющую собой сгущения двойников. Остальная часть кристалла имеет дислокационную структуру .

Старение при 4500С приводит к повышению прочности до в = 1450 МПа при сохранении пластичности на уровне δ = 11% . Ударная вязкость

KCU = 0,8 мДж/м .

Окончательная структура после старения - безуглеродистый высокопластичный мартенсит.

3. Задание №3

Условие: В электромашиностроении многие детали сложной формы (короткозамыкающие кольца с вентиляционными лопатками, фасонные корпуса асинхронных двигателей, автомобильных генераторов и т.п.) отливают из сплавов невысокой плотности. Выбрать сплав с прочностью ав ~ 180 МПа для таких изделий. Указать марку, химический состав, физико - механические и технологические свойства сплава. Описать металлургический прием, применяемый для улучшения структуры сплава, а также режим упрочняющей термической обработки.

Ответ: Выбираем алюминиевый литейный сплав - АЛ1, который применяется для изготовления фасонных отливок. Сплав сложного химического состава, содержащий магний, кремний, никель и медь. Химический состав в % материала АЛ1: Fe (до 0,8), Si (до 0,7), Ni (1,75- 2,25), Al (90,1-93,25), Cu (3,75-4,50), Mg (1,25-1,75), Zn (до 0,1), Примеси (1,4).

Литейный алюминиевый сплав АЛ1 имеет ряд особенностей: повышенную жидкотекучесть, обеспечивающую получение тонкостенных и сложных по конфигурации отливок; невысокую линейную усадку; пониженную склонность к образованию горячих трещин.

Механические свойства:

Сплав	Предел прочности	Относительное	Твердость,	Линейная
	при растяжении,	удлинение, %	НВ	усадка,%
	кгс/мм2
АЛ1	18-21	1,0	80-95	1,35

9

Физические свойства: Коэффициент температурного (линейного) расширения (при 100°С) - 22,3 (1/Град).

Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), (при

200С) - 168 (Вт/(м-град)).

Плотность материала (ПРИ 20 V) - 2750 (кг/м ). Литейно-технологические свойства материала АЛ1:

-Температура литья, °C: 720

-Линейная усадка, %: 1,30

Фасонные отливки из данного сплава широко применяют во всех отраслях промышленности, строительстве и быту. Естественно, что только сплавы, обладающие хорошими литейными свойствами, могут обеспечить требуемые качества разнообразных отливок. Кроме того, необходимо, чтобы отливки после затвердевания и охлаждения сохранили нужные

механические, физико-химические и другие свойства. Сплавы также не должны содержать дефицитные и дорогостоящих компонентов. Выполнение всех этих требований зависит как от качества состава сплава, так и от принятого технологического процесса изготовления отливок. Немаловажное значение для получения качественных отливки имеет также температура плавления сплава: чем ниже температура плавления, тем с меньшими затратами тепла его можно расплавить и перегреть до требуемой температуры выпуска из плавильной печи и заливки в формы.

Важнейшими литейными свойствами сплава являются: высокая жидкотекучесть расплава; небольшая усадка при затвердевании и охлаждении отливки; небольшая склонность к образованию литейных напряжений; кристаллическое строение (структура); незначительная ликвация.

Литье сплава осуществляется в землю, либо в кокиль. При литье в кокиль алюминиевых сплавов вследствие повышенной скорости затвердевания газоусадочная пористость подавляется, что способствует

10