Контрольная работа по "Материаловедение"

Оглавление.

 

Вопрос 1…………………………………………………………………………………...2

 

Вопрос 2………………………………………………………………………...………….3

 

Вопрос 3……………………………………………………………………………………7

 

Вопрос 4……………………………………………………………………………..……..7

 

Вопрос 5……………………………………………………………………………………23

 

Список используемой литературы…………………………………………………...…..30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос 1. Опишите явление транскристаллизации и его влияние на свойства слитка.

 

Рисунок 1 — Схема стального слитка

1 — мелкокристаллическая  корковая зона; 2 — зона столбчатых  кристаллов; 3 — внутренняя зона  крупных равноосных кристаллов

 

Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения. Скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Образуется мелкозернистая структура. Жидкий металл под корковой зоной находится в условиях меньшего переохлаждения. Число центров ограничено и процесс кристаллизации реализуется за счет их интенсивного роста до большого размера.

Теория сплавов. Основы теории сплавов.

Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, образуются древовидные кристаллы – дендриты (рисунок 2). Растут дендриты с направлением, близким к направлению теплоотвода.

Рисунок 2 — Схема дендрита по Чернову Д.К.

Так как теплоотвод от незакристаллизовавшегося металла в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.

Зоны столбчатых кристаллов в процессе кристаллизации стыкуются, это явление называется транскристаллизацией. Для малопластичных металлов и для сталей это явление нежелательное, так как при последующей прокатке, ковке могут образовываться трещины в зоне стыка.

В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке, так как металл более рыхлый (около 15…20 % от длины слитка).

 

 

 

 

Вопрос 2. Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, опешите превращение и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 20º С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,2% углерода.

Приведите маркировку и основные свойства конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества.

 

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линиюAHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD,начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3 Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит+ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8 П[Ф0,03+Ц6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф,

где      С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних факторов (внешним  фактором считаем только температуру, так как давление за исключением  очень высокого мало влияет  на фазовое равновесие сплавов  в твердом и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 0,2%С, называется доэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – Феррит + Цементит (первичный). 

 

                                                         

а)                                                                                         б)

Рисунок 3: а-диаграмма железо-цементит,

б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,2% углерода

УГЛЕРОДИСТЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

 
  Углеродистые стали подразделяют на три основные группы: стали углеродистые обыкновенного качества, качественные углеродистые стали и углеродистые стали специального назначения (автоматную, котельную и др.). 
 Стали углеродистые обыкновенного качества (ГОСТ 380-71). Эти наиболее широко распространенные стали поставляют в виде проката в нормализованном состоянии и применяют в машиностроении, строительстве и в других отраслях народного хозяйства. 
Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры - это условный номер марки. Чем больше число, тем больше содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность. 
 В зависимости от назначения и гарантируемых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп: А, Б, В (табл. 1). Индексы, стоящие справа от номера марки, означают: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная сталь. Между индексом и номером марки может стоять буква Г, что означает повышенное содержание марганца. В обозначениях марок слева от букв Ст указаны группы (Б и В) стали. 
 По требованиям к нормируемым показателям (химического состава и механических свойств) стали обыкновенного качества подразделяют на категории. Категорию стали обозначают соответствующей цифрой правее индекса степени раскисления, например Ст6ГпсЗ означает: сталь группы А, марки Ст6, с повышенным содержанием марганца, полуспокойная, третьей категории. В случае заказа стали без указания степени раскисления, но определенной категории, последняя пишется за номером марки через тире, например Ст4-3. Сталь первой категории пишется без указания номера последней, например Ст4пс. 

1. Углеродистые стали обыкновенного  качества 

Таблица 1.

 
  Химический состав сталей группы А не регламентируют, а гарантируют их механические свойства (табл. 2). Стали этой группы применяют обычно для деталей, не подвергаемых в процессе изготовления горячей обработке (сварке, ковке и др.). 
Сталь группы Б поставляют по химическому составу и применяют для деталей, которые проходят в процессе изготовления термообработку и горячую обработку давлением (штамповку, ковку). Механические свойства стали группы Б не гарантируют. 

2. Механические  свойства углеродистой стали обыкновенного качества 

 

Таблица 2.

 
  Сталь группы В поставляют по механическим свойствам, соответствующим нормам для стали группы А, и по химическому составу, соответствующему нормам для стали группы Б. Сталь группы В используют в основном для сварных конструкций. 
Стали углеродистые качественные конструкционные (ГОСТ 1050-74). От сталей обыкновенного качества они отличаются меньшим содержанием серы, фосфора и других вредных примесей, более узкими пределами содержания углерода в каждой марке и в большинстве случаев более высоким содержанием кремния (Si) и марганца (Мп). 
 Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента, и поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств (табл. 3). По степени раскисления сталь подразделяют на кипящую (кп), полуспокойную (пс), спокойную (без указания индекса). Буква Г в марках сталей указывает на повышенное содержание марганца (до 1%). 
 Сталь углеродистую качественную поставляют катаной, кованой, калиброванной, круглой с особой отделкой поверхности (серебрянка). 
 Стали углеродистые специального назначения. К этой группе относят стали (ГОСТ1414-75) с хорошей и повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные стали). Они предназначены в основном для изготовления деталей массового производства. При обработке таких сталей на станках-автоматах образуется короткая и мелкая стружка, снижается расход режущего инструмента и уменьшается шероховатость обработанных поверхностей.

 

 

Вопрос 3. Назначьте режимы термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) рессор из стали 55СГ. Опишите их микроструктуру и свойства после обработки.

 

Сталь 55 сг

Температура нагрева при закалке 840-860

Охлаждающая среда – масло

Температура отпуска – 400-510

 

После закалки и отпуска пружинная сталь имеет структуру троостита или троостита с сорбитом.

 

 

 

              Рисунок 4.

 

После термической обработки сталь имеет повышенный предел упругости.

 

 

Вопрос 4. Для изготовления некоторых деталей двигателей внутреннего сгорания выбран сплав Д16: а) характеристики механических свойств сплава после термической обработки; б) опишите способ упрочнения этого сплава и объясните природу упрочнения.

 

Отжиг

Отжиг слитков или деформированных полуфабрикатов применяется в

тех случаях, когда возникшее по тем или иным причинам неравновесное со-

стояние сплава обусловливает появление нежелательных свойств, чаше всего

пониженной пластичности.

Применительно к алюминиевым сплавам наиболее распространены три

разновидности неравновесных состояний:

1. Неравновесное состояние, свойственное литым сплавам. Скорость

охлаждения сплавов при кристаллизации слитков значительно превышает

скорости охлаждения, необходимые для равновесной кристаллизации. Осо-

бенности литой структуры деформируемых алюминиевых сплавов, в частно-

сти неравновесная эвтектика по границам дендритных ячеек в виде почти не-

прерывных ободков интерметаллидных фаз (рис.3.1), обусловливают пони-

женную пластичность слитков, особенно из высокопрочных (высоколегиро-

ванных) сплавов, а отсюда трудности их деформирования.

2. Неравновесное состояние, вызванное пластической деформацией,

особенно холодной.

3. Неравновесное состояние, являющееся результатом предыдущей

упрочняющей обработки (закалки и старения). Основная особенность такого

состояния - присутствие в сплаве более или менее пересыщенного (леги-

рующими компонентами) твердого раствора с дисперсными выделениями

интерметаллидных фаз. Между этим неравновесным состоянием и двумя

выше рассмотренными имеется принципиальное различие: оно может быть

получено только в сплавах, претерпевающих фазовые превращения в твер-

дом состоянии, т.е. в термически упрочняемых сплавах, в то время как два

других состояния наблюдаются и в сплавах без фазовых превращений в твер-

дом состоянии, и в сплавах с такими превращениями.

Рис. 5 Микроструктура слитка сплава Al + 4,0 % Cu. x 250

 

В соответствии с тремя рассмотренными выше разновидностями не-

равновесных состояний, различают три разновидности отжига:

1) гомогенизирующий отжиг слитка, или гомогенизация;

2) Рекристаллизационный и дорекристаллизационный  отжиг деформи-

рованных изделий после обработки давлением;

3) гетерогенизационный отжиг, как правило, термически упрочненных

полуфабрикатов (дораспад пересыщенного твердого раствора и коагуляция

выделившихся интерметаллидов) с целью разупрочнения.