Контрольная работа по "Материаловедению "

При нагреве заэвтектоидной стали выше А_cm (линия ES) и медленном охлаждении после такого нагрева образуется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические свойства. Для устранения грубой сетки вторичного цементита заэвтектоидные стали подвергают нормализации. Критические точки для стали У10: А_c1 = 730°С; А_cm = 800°С. Нормализация заэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше точки А_сm на 40-50°С, в непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. При температуре нагрева заэвтектоидной стали выше А_cm на 40-50°С имеем структуру аустенита (100%). При снижении температуры до А_rm начинают появляться первые зерна цементита. При дальнейшем снижении температуры до А_r1 из аустенита будут образовываться только зерна цементита, а содержание углерода в остающемся аустените будет уменьшаться и при температуре А_r1 достигнет 0,8%. Ускоренное охлаждение на воздухе способствует тому, что цементит не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали. При снижении температуры ниже А_r1 из аустенита будет образовываться перлит. Заэвтектоидная сталь после нормализации имеет структуру перлита и цементита.[2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос № 80. Углеродистые инструментальные  стали. Их марки, свойства, область, применения

 

Инструментальная  углеродистая сталь — сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента.

Она подразделяется на качественную (У7, У8) и высококачественную (У7А, У8А). В зависимости от % содержания хрома, никеля и меди она по назначению делится на 5 основных групп.

1-для  всех видов продукции кроме  патентованной проволки и ленты,  по всем маркам качественной  стали: хром 0,2%, никель и медь  не более 0, 25% каждый.

2-длля  всех видов продукции кроме  патентованной проволки и ленты,  по всем маркам высококачественной  стали: хром 0,15%, никель и медь  по 0,2% каждый

3-сталь  УА10А и У12А для сердечников:  хром 0,2%, никель и медь 0,2%

4-для  патентованной проволки все марки  стали: хром и никель по 0,12% каждый и медь 0,2%

5-для  холоднокатаного листа и ленты,  горячекатаной сортовой стали  и др., для марки качественной  стали: хром 0,2-0,4%, никель и медь  по 0,25% каждый; для высококачественной  стали: хром 0,2-0,35%, никель и медь  по 0,25% каждый.

Качественная  углеродистая инструментальная сталь: У7 – У13,У8Г

Высококачественная  углеродистая сталь: У7А-У13А,У8ГА 

HB от 187 -217, после же закалки для всех сталей она составляет HRC 62

Содержание  углерода от 0,65 -1,35 %

Глубина обезуглероженного слоя (феррит + переходящая  зона) не должна превышать на сторону 0,3-0,85 мм в зависимости от толщины  проката. [5;стр. 42 – 43]

Выпускается по ГОСТ 1435-99 следующих марок: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А; У13А. Стандарт распространяется на углеродистую инструментальную горячекатаную, кованую, калиброванную сталь, серебрянку.

К группе качественных сталей относятся марки  стали без буквы А(в конце маркировки), к группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов — марки стали с буквой А. Буквы и цифры в обозначении этих марок стали означают: У — углеродистая, следующая за ней цифра — среднее содержание углерода в десятых долях процента, Г — повышенное содержание марганца.

Достоинство углеродистых инструментальных сталей состоит в основном в их малой  стоимости и достаточно высокой твёрдости по сравнению с другими инструментальными материалами. К недостаткам следует отнести малую износостойкость и низкую теплостойкость.

Применение  инструментальной углеродистой стали

• У7, У7А. Для обработки дерева: топоров, колунов, стамесок, долот; пневматических инструментов небольших размеров: зубил, обжимок, бойков; кузнечных штампов; игольной проволоки; слесарно-монтажных инструментов: молотков, кувалд, бородок, отвёрток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек и др.
• У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А. Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; обработки дерева: фрез, зенковок, поковок, топоров, стамесок, долот, пил продольных и дисковых; накатных роликов, плит и стержней для форм литья под давлением оловянно-свинцовистых сплавов. Для слесарно-монтажных инструментов: обжимок для заклепок, кернеров, бородок, отвёрток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек. Для калибров простой формы и пониженных классов точности; холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в том числе для часов и т. д.
• У10А, У12А Для сердечников.
• У10, У10А. Для игольной проволоки.
• У10, У10А, У11, У11А. Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; обработки дерева: пил ручных поперечных и столярных, пил машинных столярных, сверл спиральных; штампов холодной штамповки (вытяжных, высадочных, обрезных и вырубных) небольших размеров и без резких переходов по сечению; калибров простой формы и пониженных классов точности; накатных роликов, напильников, шаберов слесарных и др. Для напильников, шаберов холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в том числе для часов и т. д.
• У12, У12А. Для метчиков ручных, напильников, шаберов слесарных; штампов для холодной штамповки обрезных и вырубных небольших размеров и без переходов по сечению, холодновысадочных пуансонов и штемпелей мелких размеров, калибров простой формы и пониженных классов точности.
• У13, У13А. Для инструментов с повышенной износостойкостью при умеренных и значительных удельных давлениях (без разогрева режущей кромки); напильников, бритвенных лезвий и ножей, острых хирургических инструментов, шаберов, гравировальных инструментов. [9]

 

 

 

Вопрос  №123. В чем сущность защиты металлов от коррозии оксидными пленками? Какова технология их получения?

 

Оксидирование – это процесс образования  оксидных плёнок на поверхности металлических  изделий. Использование защитных свойств оксидных пленок. Защитные свойства оксидных пленок зависят от их состава, толщины, а также от свойств металлической подложки, увеличиваясь с ростом ее твердости. Если оксид тверд и прочен, а нижестоящий металл мягок, то пленка легко разрушается, и схватывание развивается при мягкой нагрузке. Примером этому служит алюминий и большинство пластичных металлов.[1; стр.187]

Для различных  условий коррозии на поверхности металлов создаются изолирующие пленки. Их устойчивость зависит от температуры и коррозионной среды.

     Защитные слои от высокотемпературной коррозии могут быть созданы из тугоплавких соединений, обладающих низкой диффузионной проницаемостью для агента коррозии (О, N, галогены). Для повышения коррозионной устойчивости металлов и сплавов их легируют поверхностно или объемно другими металлами.

Жаростойкое или объемное легирование осуществляют одновременно с получением того или иного конструкционного металла. Вводятся такие легирующие компоненты, которые увеличивают жаропрочность и, кроме того, обладают высокой диффузионной способностью в данном металле или сплаве и, выходя на поверхность, образуют устойчивые оксидные слои.

Так, например, хром и никель в нержавеющих сталях, диффундируя к поверхности, образуют оксидный слой, содержащий шпинель NiCr₂O₄ и частично шпинель FeCr₂O₄,. Оксидный слой такого состава оказывается более устойчивым, чем просто оксид Cr₂O₃, образующийся на поверхности чистого хрома. Поверхностное легирование представляет собой насыщение поверхности данного сплава металлом, обладающим прочным оксидным слоем, — аллитирование, хромирование, силицирование и т. д. Оно осуществляется диффузионным путем из газовой фазы, содержащей пары или летучие соединения легирующего компонента, или нанесением слоя этого металла вакуумным или плазменным напылением, или даже наплавкой, но обязательно с последующей термообработкой изделия. При нанесении на поверхность данного металла легирующего компонента возможно образование между ними интерметаллидов. Примером такого типа защитных пленок может служить силицированный молибден: на поверхность молибдена диффузионным путем наносится слой кремния, образующего с молибденом соединение MoSi₂. [4]

Современный метод оксидирования – химическая и электрохимическая обработка  деталей в щелочных растворах. Электрохимическое  оксидирование ведут в растворе 40%-го раствора едкого натра при 65-120⁰С и анодной плотности тока от 2,5 до 10 А/дм², продолжительностью до 60 минут. Качественное покрытие получается в результате последовательных превращений: Fe→Na₂FeO₂ →Na₂Fe₂O₄ →Fe₃O₄. Оксидирование чёрных металлов носит название воронения. Оксидная плёнка на малоуглеродистой стали имеет чёрный цвет, а на высокоуглеродистых сталях – чёрный с сероватым оттенком. Противокоррозионные свойства поверхностной плёнки оксидов невысоки, поэтому область применения этого метода ограничена. Его основное назначение – декоративная отделка.

Для защиты металла естественную оксидную пленку, всегда имеющуюся на металле, делают более прочной путем обработки  сильным окислителем, например концентрированной  азотной кислотой, растворами марганцевой  или хромовой кислот и их солей. Частным  случаем оксидирования является воронение стали. В этом случае на поверхности также создается  оксидная пленка, но более сложными приемами, связанными с многократной термической обработкой при температуре  ЗО0...40О°С в присутствии древесного угля.

 

Вопрос №129. Выберите и обоснуйте выбор марок сплавов  для следующих деталей.

 

 

а) зубчатого  колеса редуктора.

Для данной детали подходят марки сплавов:

Ст45 – содержит 0, 45% углерода

Ст40Х - содержит 0,4% углерода и 1% хрома

Для данного  типа деталей используются стандартные  сплавы стали, хорошо зарекомендовавшие  себя в данном типе агрегатов. Также  марки стали для зубчатого  колеса редуктора регламентируются ГОСТ 10.50.80 и ГОСТ 45.43.71.  [7;8]

б) подшипника качения, работающего в агрессивной  среде

Для данного  типа деталей подходит марка сплава:

8Х4В9Ф2-Ш – содержит 0,8% углерода, 0,4% кремния, 0,4% магния, 4% хрома, 9% вольфрама, 2% ванадия, также в них менее 0,03 % серы и фосфора.

Для данного  типа деталей используются высокопрочные  легированные стали, которые обладают большой твёрдостью, сопротивляемостью к контактной усталости, а также высокой износостойкостью, что полностью соответствует характеристикам подшипниковой стали, а следовательно подходит для изготовления подшипников качения, работающих в агрессивных средах.

в) штамповки  из алюминиевого сплава

Для данного типа изделий применяется марка сплавов:

АД000 – содержит 99,8% алюминия, по 0,15% кремния и железа, по 0,02% марганца, магний и титана, 0,03% медь, 0,06% цинк.

Для данного  типа изделий применяются легкие алюминиевые сплавы, обладающие высокой  ковкостью и пластичностью, что  положительно сказывается на качестве штамповки.

 

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ

 

Диаграмма состояния  Fe-Fе С является комбинацией диаграмм простых типов. На ней имеются три горизонтали трёхфазных равновесий: перитектического (1496°С), эвтектического (1147°С) и эвтектоидного (727°С).

Все линии  на диаграмме состояния соответствуют  критическим точкам, то есть температурам, при которых происходят фазовые  и структурные превращения в  железоуглеродистых сплавах.

Линия ABCD –  линия начала кристаллизации сплава (ликвидус), линия AHJECF – линия конца  кристаллизации сплава (солидус).

В области  диаграммы HJCE находится смесь двух фаз: жидкого раствора и аустенита, а в области CFD – жидкого раствора и цементита. В точке С при содержании 4,3%С и температуре 1130°С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь – ледебурит. Ледебурит присутствует во всех сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67%С (чугуны). Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,0%С).

В области  диаграммы AGSF находится аустенит. При  охлаждении сплавов аустенит распадается  с выделением по линии GS феррита, а  по линии SE – вторичного цементита. Линии GS и PS имеют большое практическое значение для установления режимов  термической обработки сталей. Линию GS называют линией  верхних критических  точек, а линию PS – нижних критических  точек.

В области  диаграммы GSP находится смесь двух фаз – феррита и распадающегося аустенита, а в области диаграммы SEE' – смесь вторичного цементита  и распадающегося аустенита.

В точке S при  содержании 0,8%С и при температуре 723°С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита – перлит.

Линия PSK соответствует  окончательному распаду аустенита  и образованию перлита. В области  ниже линии PSK никаких изменений  структуры не происходит.

Структурные превращения в сплавах, находящихся  в твердом состоянии, вызваны  следующими причинами: изменением растворимости  углерода в железе в зависимости  от температуры сплава (QP и SE), полиморфизмом  железа (PSK) и влиянием содержания растворенного  углерода на температуру полиморфных  превращений (растворение углерода в железе способствует расширению температурной  области существования аустенита  и сужению области феррита).

На диаграмме  состояния различают две области: стали и чугуны. Условия принятого  разграничения – возможность  образования ледебурита (предельная растворимость углерода в аустените):

• стали  – до 2,14% С, не содержат ледебурита;

• чугуны –  более 2,14% С, содержат ледебурит.

В зависимости  от содержания углерода (%) железоуглеродистые сплавы получили следующие названия:

• менее 0,83 – доэвтектоидные стали;

• 0,83 – эвтектоидные стали;

• 0,83...2 –  заэвтектоидные стали;

• 2...4,3 –  доэвтектические чугуны;

• 4,3...6,67 –  заэвтектические чугуны.

Дано: % углерода (по массе) = 2,8; температура °С =959. В точке пересечения структура сплава состоит из 29,2% аустенита и 70,8% вторичного цементита.

Сплав железа с углеродом, содержащий 0,9%С, называется заэвтектоидной сталью (углеродистая сталь, содержащая от 0,8 до 2,14% С). Его структура при комнатной температуре – цементит (вторичный) + перлит. При заданной же температуре (1190°С) данный сплав представляет собой 100%-ый аустенит. Заэвтектоидные стали марок У9, У10, У11, У12 и У13 обычно используют для изготовления инструмента (инструментальные стали).

При охлаждении до точки 1 сталь находится в жидком состоянии. При температуре ликвидуса  начинается кристаллизация аустенита. От точки 1 до точки 2 происходит кристаллизация аустенита, и сталь состоит из жидкого сплава и аустенита. При  температуре солидуса сталь полностью затвердевает, и структура ее представляет собой совокупность из аустенита, цементита вторичного и ледебурита, состоящего из аустенита и цементита. До точки 3 структура стали не изменяется. При прохождение точки 3 аустенит полностью исчезает и начинает образовываться перлит совместно с изменением структуры ледебурита, который состоит из перлита и цементита вторичного. В итоге сплав ниже 727 градусов имеет состав: перлит, цементит вторичный и ледебурит (перлит + цементит)