Определение качества стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная по материаловедению

Вариант 9

1. Изложить факторы, влияющие на качество стали. Дать описание одного из способов улучшения качества стального слитка путем вторичного переплава

Ответ. Выделяют следующие факторы, влияющие на качество стали [Материаловедение и технология металлов Фетисов 2001]:

- химический состав - процентное содержание углерода, наличие или отсутствие легирующих добавок

- строение как показатель структуры

- технологии термической и химико-термической обработки (изменение свойств и структуры стали в результате их проведения)

Изменяя химический состав, можно получать стали с различными свойствами и использовать их во многих отраслях техники и народного хозяйства.

Углеродистые стали классифицируют по содержанию углерода, назначению, качеству, степени раскисления и структуре в равновесном состоянии. По содержанию углерода стали подразделяются на низкоуглеродистые (< 0,3% С), среднеуглеродистые 0,3--0,7% С) и высокоуглеродистые (> 0,7% С).

По качеству стали классифицируют на обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства.

Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей -- серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству.

К постоянным примесям в стали относятся фосфор и сера. Эти элементы оказывают существенное влияние на механические, технологические и другие свойства стали, поэтому их количество в различных марках строго регламентируется.

Стали обыкновенного качества содержат до 0,06% S и 0,07% Р, качественные -- не более 0,04% S и 0,035% Р, высококачественные -- не более 0,025% S и 0,025% Р. Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5% С), качественные и высококачественные -- углеродистыми и легированными.

Содержание примесей в сталях зависит от способа выплавки (конверторный, мартеновский и крайне редко -- в электропечах, т.к. это очень дорого).

По структуре в равновесном состоянии стали делятся на: 1) доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит; 2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; 3) заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный.

К термическим и химико-термическим способам обработки, изменяющим свойства и качество стали относят, закалку, нормализацию, отпуск, цементацию, азотирование, цианирование и др.

2. Дать определение пластической деформации и описать явление наклепа

Ответ [Материаловедение и технология конструкционных материалов Колесов 2007 г.; Материаловедение и технология металлов Фетисов 2001].

Пластическая деформация. Деформация тела есть изменение его размеров и формы. Деформация, характеризующая изменение линейных размеров, называется линейной, а деформация, характеризующая изменение углов, -- угловой или деформацией сдвига. Линейная или угловая деформация, исчезающая после разгрузки, называется упругой, а остающаяся в теле -- пластической (остаточной). В процессе упругой деформации атомы в кристаллической решетке незначительно смещаются друг относительно друга. При снятии внешней нагрузки под действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение, искажения решетки исчезают, а тело принимает первоначальные форму и размеры. При пластической деформации атомы в кристаллической решетке смещаются на большие расстояния, чем при упругой деформации, причем это смещение становится необратимым. После снятия нагрузки в результате пластической деформации размеры и форма тела изменяются. Смещение атомов при пластической деформации может происходить скольжением (сдвигом) и двойникованием. Скольжение происходит по плоскостям и в направлении с наиболее плотной упаковкой атомов, где расстояния между соседними атомными плоскостями наибольшие, а силы взаимодействия между ними наименьшие, в результате чего сопротивление сдвигу также будет наименьшим. При двойниковании происходит такое смещение части зерна, при котором эта часть занимает зеркально-симметричное положение по отношению к несмещенной части зерна. Упругопластическая деформация при достижении достаточно высоких напряжений может завершиться разрушением тела.

[Материаловедение и технология металлов Фетисов 2001] Из многолетнего опыта известно, что после ковки холодного металла заметно возрастают его прочность и твердость. В то же время он становится хрупким. Это явление получило название «наклеп».

Наклеп - это обработка металлической заготовки путем прокатки, ковки или волочения.

Наклепом называют как сам процесс изменения внутреннего строения металла при холодной пластической деформации, так и получающийся при этом результат, т. е. повышение прочности и твердости, сопровождающееся уменьшением пластичности. Анализ сущности пластической деформации с позиций дислокационной концепции позволяет установить, что изменение внутреннего строения металла при пластической деформации связано главным образом с ростом плотности дислокаций, происходящим вследствие их непрерывного генерирования источниками Франка-Рида под действием напряжений, создаваемых прикладываемой силой. по мере развития пластической деформации и приближения ее величины и плотности дислокаций к критическим значениям вместе с ростом прочности уменьшается запас пластичности. Таким образом, наклепанный металл должен быть прочнее и хрупче ненаклепанного. Установлено, что при наклепе изменяются и другие свойства металла. В частности, уменьшаются плотность, теплопроводность и электрическая проводимость.

В машиностроении наклеп используется для поверхностного упрочнения деталей. Так, поверхности некоторых видов валов, в особенности их опорные шейки, подвергаются интенсивной холодной обработке давлением твердыми роликами с целью наклепа для уменьшения износа и предотвращения усталостного разрушения.

3. Химико-термическая обработка стали. Описать цементацию стали

Ответ [Никифоров В.М. Технология металлов, 1953 г.]. Химико-термическая обработка стали состоит в насыщении поверхностного слоя стальных деталей некоторыми элементами, например, углеродом, азотом, алюминием, хромом, кремнием и др. Это насыщение производится путем диффузии указанных элементов на некоторую глубину в поверхностный слой деталей при их нагреве. Протекает лучше всего, когда диффундирующий элемент выделяется в атомарном состоянии при разложении какого-нибудь соединения (в газах в летучем состоянии). Выделившийся активированный атом элемента проникает в решетку стали и образует или твердый раствор или химическое соединение.

Наиболее распространенными видами химико-термической обработки стали являются цементация, азотирование, цианирование и алитирование.

Цементация стали - процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом с целью получения детали с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной. Подвергают такие детали, которые работают одновременно и на истирание и на удар.

Существует два вида цементации - твердым карбюризатором и газовая цементация.

При цементации твердым карбюризатором в качестве карбюризаторов (обуглероживающих материалов) применяют древесный уголь в смеси с углекислыми солями (карбонатами натрия, калия и бария и др.), которые при нагревании легко распадаются с выделением углекислого газа. Количество карбонатов в карбюризаторах колеблется обычно в пределах от 20% до 40%.

Цементации подвергают детали из углеродистой или легированной стали с содержанием углерода до 0,2%. Такое содержание углерода обеспечивает высокую вязкость сердцевины после цементации и, следовательно, хорошее сопротивление динамическим нагрузкам.

Детали помещают в железные цементационные ящики и засыпают карбюризатором. Ящики закрывают крышкой и тщательно обмазывают глиной, затем помещают в печь и выдерживают 5-10 часов при темературе выше критической (800-950 град Ц).

При нагреве углекислые соли распадаются с выделением углекислого газа, который вместе с углеродом древесного угля образует окись углерода СО, которая в присутствии железа распадается с выделением атомарного углерода. Атомарный углерод диффундирует в гамма-железо, постепенно образуя карбиды железа. Таким образом, действительным цементирующим веществом при данном типе цементации выступает окись углерода СО.

Глубина цементации зависит от времени и температуры выдержки изделий, обычно составляет 0,5-1,5мм, количество углерода в поверхностном слое колеблется от 0,95% до 1,1%.

В процессе цементации наблюдается значительный рост зерна детали. Для устранения этого детали подвергают нормализации, затем закалке и отпуску.

При газовой цементации в качестве карбюризаторов применяются различные газы и газовые смеси, как-то: природные газы, светильный газ, генераторный газ и др. В их состав кроме углерода входят углеводороды, из которых особое значение имеет метан.

Детали помещают в специальные камеры - муфели, через которые пропускают газы. В камерах поддерживается температура в пределах 900-950 градусов Цельсия. Обтекая детали, газы выделяют атомарный углерод, окись СО и атомарный же водород.

Преимущество газовой цементации перед цементацией твердым карбюризатором в сокращении времени процесса в 2-3 раза, в чистоте рабочего места, в возможности более точного регулирования процесса.

Качество цементации зависит от правильного выполнения технологического процесса, а также от качества карбюризатора.

Дефектами цементации являются: наличие феррита на поверхности, недостаточная концентрация углерода (из-за низкой температуры цементации, применения истощенного карбюризатора): недостаточная глубина цементированного слоя (вследствие недостаточной продолжительности цементации); наличие мест (пятен) с низким содержанием углерода (вследствие применения загрязненного карбюризатора).

После цементации детали подвергают закалке. Для неответственных деталей закалку проводят непосредственно из цементационного ящика. После закалки проводят низкий отпуск. Более ответственные детали после цементации охлаждают на воздухе и затем закаливают до температуры 850-900 градусов Цельсия. После проводят низкий отпуск. Для особо ответственных деталей проводят двойную закалку.

4. Начертить диаграмму состояния сплава железа с углеродом. Показать на ней структуры по всем зонам и характерные линии. Справа от диаграммы построить схематичную кривую медленного охлаждения от 1600 градусов до 600 градусов сплава с заданным содержанием углерода

Описать превращения, происходящие в данном сплаве и охарактеризовать скорость его охлаждения на каждом участке кривой. Дайте определение всем образующимся по ходу охлаждения структурам.

Ответ. [методические указания и учебник по материаловедению Колесова, Федотика].

Состав заданного сплава для моего 9 варианта - содержание углерода 4,3%, остальное железо.

Вынесем на отдельный лист диаграмму состояния сплава железо-углерод и схематически изобразим рядом кривую медленного охлаждения сплава до 600 градусов Цельсия.

На горизонтальной оси содержания углерода отмечаем его заданную концентрацию и через нее проводим вертикальный пунктир, пересекающий все линии диаграммы. Места пересечения отмечаем точками. В каждой такой точке в структуре сплава происходят превращения. Через каждую точку ведем горизонтальные пунктиры на кривую медленного охлаждения. Пересечение пунктира с вертикальной осью покажет температуру превращения в сплаве, поэтому на кривой охлаждения будет точка изменения наклона и горизонтальный участок.

После опишем все происходящие в сплаве превращения.

1.заданный материал является белым эвтектоидным чугуном, т.к. содержит углерода много больше чем 0,8%, входит в интервал 2,06-6,67%, а именно 4,3%.

2. линия нашего состава пересекает линию АСД диаграммы (ликвидус, где происходит первичная кристаллизация из жидкого состояния) в точке С. Охлаждение замедляется, кривая станет более пологой.

3. Линия заданного состава пересекает линию ЕС (линию эктектического ледебуритного превращения) в точке С при 1147°С. То на кривой охлаждения будет в этой точке горизонтальный участок.

4. Линия заданного состава пересекает линию PSK в точке С1. (Линия эвтектоидного перлитного превращения). На кривой охлаждения снова будет горизонтальный участок.

Итак.

В интервале температур 1600-1147°С (до пересечения с линией ликвидуса и линией эвтектики) фазовых превращений не происходит, охлаждение идет быстро, сплав жидкий, кривая круто спускается вниз.

В точке С (1147°С) начинается кристаллизация. Поскольку в данном случае точка С это точка пересечения и линии ликвидуса, и линии эвтектики, то охлаждение не просто замедляется, а останавливается. Сплав полностью кристаллизуется (образует твердый раствор). Структура - ледебурит, аустенит и цементит I+II.

По завершении кристаллизации продолжается охлаждение до точки в 727°С (точка С1). В этой точке твердый сплав приобретает эвтектоидную концентрацию. Аустенит и цементит превращаются в ледебурит.

При дальнейшем охлаждении сплав становится полностью ледебуритным. Ниже температуры эвтектоидного превращения фазовых превращений не происходит и сплав продолжает охлаждаться.

Окончательная структура сплава - ледебурит.

Ледебурит - это структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, представляющая собой эвтектическую смесь аустенита и цементита в интервале температур 727--1147°C, или феррита и цементита ниже 727 °C. Обладает высокими твердостью и хрупкостью.

а) б)

Диаграмма состояния сплава железо-углерод (а) и кривая медленного охлаждения (б)

6 Расшифровать марки и указать назначение конструкционных материалов согласно варианту задания

стальной деформация железо конструкционный

Мои материалы: 45, 60Г, 30 ХН2ВФ, У12, ВЧ120, Т30К4, БрА3, ЛО60-1, Б83.

Ответ.

1. 45 - сталь углеродистая качественная конструкционная рессорно-пружинная, по ГОСТ 1050-88. Содержит 0,45% углерода С, 0,17%-0,37% кремния, 0,5%-0,8% марганца, до 0,25% хрома. Твердость по Бренелю от 197 до 229МПа. Трудносвариваемая. Применяется для деталей типа вал-шестерни, коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели, бандажи, цилиндры, кулачки и другие нормализованные, улучшаемые и подвергаемые поверхностной термообработке детали, от которых требуется повышенная прочность.

2. 60Г - сталь легированная качественная конструкционная по ГОСТ 4543-71. Содержит 0,60% углерода С, легирована марганцем. Судя по отсутствию цифр после буквы Г, марганца в стали менее 1,5%. Применяется для деталей типа плоские и круглые пружины, рессоры, пружинные кольца и другие детали пружинного типа, от которых требуются высокие упругие свойства и износостойкость; бандажи, тормозные барабаны и ленты, скобы, втулки и другие детали общего и тяжелого машиностроения.

3. 30ХН2ВФ - сталь легированная хромоникелевая конструкционная качественная по ГОСТ 4543-71, легирована хромом, никелем, вольфрамом и ванадием. Содержание углерода 0,30%, содержание хрома 0,17%-0,37%, содержание никеля 2,1-2,24% (в среднем 2%), содержание вольфрама и ванадия не более 1,5% по каждому элементу. Применяется для изготовления деталей машин, бесшовных труб нефтяного сортамента и др.

4. У12 - заэвтектоидная сталь углеродистая инструментальная пружинная по ГОСТ 1050-74. Содержит 1,2% углерода. Отличается низкой коррозионной стойкостью, сравнительно высоким температурным коэффициентом модуля упругости и сниженной релаксационной стойкостью даже при небольшом нагреве. Поэтому непригодна для работы при температурах выше 100 °С. Кроме того, углеродистая сталь имеет малую прокаливаемость и поэтому ее можно применять лишь для изготовления пружин малого сечения. При закалке, когда необходимо охлаждение пружин в воде, неизбежно наблюдается значительная их деформация, а при очень сложных конфигурациях могут возникать трещины.

Применятся для изготовления термически обработанной или нагартованной (упрочненной) пружинной ленты и проволоки, пружинной холоднокатаной ленты; для изготовления мерительного инструмента (калибры), режущего (напильники, пилы, метчики, сверла, резцы и т. д.) и небольших штампов холодной высадки и вытяжки, работающих при невысоких нагрузках. Толщина ленты свыше 1,5 мм. Относительное удлинение 10%. Предел ув= 750МПа. Лента отличается высокой точностью размеров, повышенной прочностью, высоким качеством отделки поверхности в результате шлифования и полирования*, что определяет ее высокое сопротивление хрупкому разрушению и сопротивление выносливости. Последнее может быть повышено при шлифовании не только поверхности, но и закругленных кромок, полученных в результате плющения проволочной заготовки под валками.

5. ВЧ120 - высокопрочный чугун с шаровидным графитом по ГОСТ 7293-85. Структурно образован бейнитом. Получают путем модифицирования магнием. Предел прочности 120 кгс/мм². Относительное удлинение 4%. Твердость по Бренелю 302-369. Используется для изготовления изделий ответственного назначения: рабочих деталей насосов высокого давления, деталей турбин, работающих в условиях ударных и знакопеременных нагрузок, клапанов, шатунов, прокатных валков и др. Температура плавления высокопрочного чугуна-1150- 1200° С.

6. Т30К4 - титановольфрамовый твердый сплав, предназначен для обработки вязких материалов: стали, латуни. Применяется для получистовой и чистовой обработки металлов (точение, зенкерование, развертывание, окончательное нарезание резьбы) чистового и получистового точения при непрерывном резании, для тонкого точения при непрерывном резании. Изделия из него получают методом порошковой металлургии, они поддаются только обработке шлифованием или физико-химическим методам обработки (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др). Имеет в своем составе карбид титана, карбид вольфрама и кобаль. Содержание карбида титана 30%, карбида кобальта 4%, 66% карбида вольфрама.

7. БрА3 -безоловянная алюминиевая однофазная бронза по ГОСТ 493-79. Предназначена для упругих элементов - пружин, мембран, сильфонов, деталей, работающих в морской среде.

8. ЛО60-1 - латунь, обрабатываемая давлением, по ГОСТ 15 527-70. Маасовых процентов меди 59-61, олова 1,0-1,5, остальное цинк. Примесей свинца не более 0,3% масс, железа не более 0,1% масс, сурьмы не более 0,005% масс, висмута не более 0,002% масс, фосфора не более 0,1% масс. Температура плавления 885 градусов Цельсия, модуль юнга Е=102,9ГПа.

9. Б83 - антифрикционный сплав для подшипников скольжения на основе свинца и олова баббит по ГОСТ 1320-74. Основа олово, свинца не содержит, сурьмы 10-12%, меди 5,5-6,5%. Твердость по Бренелю до 32.

Условия работы - давление от 5 до 10 МПа, скорость 5-10 м/с, температура 75 градусов Цельсия. Толщина слоя сплава 3 мм. Толщина пригонки подшипника сотые доли мм. Способ крепления сплава с корпусом металлургический - прилуживание.

Размещено на Allbest.ru