Теория конструкционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Особенности пластической деформации в поликристаллических металлах

При деформации поликристаллов отсутствует стадия легкого скольжения, деформация зерен начинается сразу по нескольким системам скольжения и сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. Пока общая деформация мала (порядка 1 %) зерна деформируются неоднородно в силу их разной ориентации по отношению к приложенным нагрузкам.

С ростом степени деформации зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения. Внутри зерен повышается плотность дефектов. При значительных деформациях (? = 80 … 90 %) образуется волокнистая структура, где границы зерен различимы с трудом., в металле появляется кристаллографическая ориентация зерен, которая называется текстурой деформации. Текстура деформации - это результат одновременного деформирования зерен по нескольким системам скольжения.

В наклепанных металлах появляется ячеистая тонкая структура. Ячейки диаметром 0,25 - 3 мкм представляют собой свободные от дислокаций участки; границы ячеек - это сложные переплетенные стенки дислокаций. Между собой ячейки разориентированы. С увеличением деформации размеры ячеек сохраняются практически неизменными, увеличивается лишь плотность дислокаций в стенках ячеек.

2. Начертить диаграмму состояний железо- цементит с указанием во всех ее областях фаз и структурных составляющих. Рассмотрите формирование структуры при охлаждении из жидкого состояния сплава, содержащего 2,6 % С. В произвольной точке этого сплава между линиями ликвидус и солидус определите содержание углерода в фазах и их количество

Кристаллизация сплава, содержащего 2,6 % С начнется в точке 1. При последующем охлаждении происходит выделение кристаллов аустенита переменного состава. В точке 2 при 1147 ?С кристаллизуется эвтектика по реакции . Кристаллизацией эвтектики заканчивается первичная кристаллизация этого сплава. В результате первичной кристаллизации структура состоит из первичных кристаллов аустенита и ледебурита - эвтектической смеси аустенита и цементита. При охлаждении от точки 2 до точки 3 первичные выделения аустенита меняют свою концентрацию от 2,14 до 0,8 % С, и в точке 3 происходит перлитное превращение . Продуктом эвтектоидного превращения является мелкодисперсная смесь феррита и цементита - перлит. При комнатной температуре (в точке 4) структура сплава состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита.

При температуре Т₁ сплав находится между линиями ликвидуса и солидуса в двухфазной области (А + Ж). Состав аустенита определяется проекцией точки а и составляет примерно 1,2 % С. Состав жидкости определяется проекцией точки b - 3,1 % С.

Количественное соотношение фаз находим по правилу отрезков:

.

3. Углеродистая сталь после закалки имеет структуру мартенсит + цементит вторичный + аустенит остаточный. Проведите на диаграмме состояний железо - цементит ординату, соответствующую этой стали (примерно) и укажите температуру нагрева, с которой была проведена закалка. Опишите превращения, происходящие в стали при закалке с этой температуры

Т.к. в структуре стали после закалки присутствует цементит, то можно говорить, что эта сталь является заэвтектоидной. При правильной закалке структура заэвтектоидной стали должна состоять из мартенсита и цементита. Т.к. в структуре сохраняется остаточный аустенит, то можно говорить о том, что закалка проводилась из однофазной области, т.е. нагрев проводили выше температуры А_cm.

Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения; следовательно скорость охлаждения должна превышать критическую. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы подавить диффузтонные процессы и образование перлитных или бейнитных структур. При охлаждении стали со скоростью выше критической будет образовываться мартенсит - пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в ? - Fe. В процессе мартенситного ?>? превращения углерод остается в твердом растворе, искажая кристаллическую решетку ? - Fе значительно меньше, чем в ? - Fe. Мартенсит имеет тетрагональную пространственную решетку.

Небольшое количество остаточного аустенита после мартенситного превращения сохраняется в структуре стали. Затрудненность распада последних порций аустенита связана с появлением значительных сжимающих напряжений, возникающих вследствие увеличения объема при переходе решетки ГЦК в ОЦК.

Превращения при закалке начинаются с перераспределения углерода. В результате одни зоны зерен аустенита обедняются, а другие обогащаются углеродом. В зонах твердого раствора, обогащенных углеродом, протекает карбидообразование - выделение очень мелких кристаллов цементита. По мере обеднения аустенита углеродом развивается мартенситное превращение.

4. Стали для измерительного инструмента и их термическая обработка

Основные свойства, которыми должны обладать стали этого назначения - высокая износостойкость, постоянство размеров и формы в течение длительного срока службы. К дополнительным требованиям относят возможность получения низкой шероховатости поверхности и малой деформации при термической обработке.

Наиболее широко применяют заэвтектоидные низколегированные стали Х, ХГ, ХВГ, 9ХС, обрабатываемые на высокую твердость (60 - 64 HRC). В отличие от режущих инструментов термическую обработку проводят таким образом, чтобы затруднить процесс старения, который происходит в закаленной стали и вызывает объемные изменения, недопустимые для измерительных инструментов. Причинами старения служат частичный распад мартенсита, превращение остаточного аустенита и релаксация остаточных напряжений, вызывающая пластическую деформацию. Для уменьшения количества остаточного аустенита закалку проводят с более низкой температуры. Кроме того инструмент высокой точности подвергают обработке холодом при -50 … -80 ?С. Отпуск проводят при 120 - 140 в течение 24 - 48 ч. Более высокий нагрев не применяют из - за снижения износостойкости.

Инструменты повышенной точности подвергают неоднократному чередованию обработки холодом и кратковременного (2 - 3 ч) отпуска.

Плоские инструменты (скобы, линейки, шаблоны и т.д.) изготавливают из листовых сталей 15, 20, 15Х, 20Х, 12ХН3А, подвергаемых цементации, или из сталей 50 и 55, закалеваемых с нагревом ТВЧ в поверхностном слое. Поскольку неравновесная структура в этих сталях образуется только в поверхностном слое, происходящие в нем объемные изменения мало отражаются на размерах всего инструмента.

5. Композиционные материалы с металлической, керамической и полимерной ( органической и неорганической ) матрицей: их сходства и отличия. Влияние матрицы на свойства материала

металл закалка углеродистый сталь

Преимуществом КМ на металлической основе являются более высокие значения характеристик, зависящих от свойств матриц. Это прежде всего временное сопротивление и модуль упругости при растяжении в направлении, перпендикулярном оси армирующих волокон, прочность при сжатии и изгибе, пластичность, вязкость разрушения. Кроме того, КМ с металлической матрицей сохраняют свои прочностные характеристики до более высоких температур, чем многие материалы с неметаллической основой. Они более влагостойки, негорючи, обладают электрической проводимостью.

Наиболее перспективными материалами для матриц металлических КМ являются металлы, обладающие небольшой плотностью (Al, Mg, Ti) и сплавы на их основе, а так же никель - широко применяемый в настоящее время в качестве основного компонента жаропрочных сплавов.

Керамическими называются КМ, в состав которых входят керамическая матрица и металлические и неметаллические наполнители. Керамические КМ обладают высокими температурой плавления, стойкостью к окислению, термоударам и вибрации, прочностью и теплопрочностью при сжатии.

В качестве матриц используют силикатные, алюмосиликатные, алюмоборосиликатные и другие стекла, тугоплавкие оксиды, нитриды, бориды и карбиды.

Керамические КМ на основе карбидов с добавками металлического порошка обладают высокой хрупкостью. Помимо порошков для армирования керамических КМ используют металлическую проволоку из жаропрочной стали, вольфрама, молибдена, ниобия, а также неметаллические волокна. Это позволяет создать пластичный каркас, предохраняющий КМ от преждевременного разрушения при растрескивании керамической матрицы. Ударная вязкость и термостойкость керамических КМ повышается при увеличении содержания волокна не более чем на 25 %, затем возрастающая пористость вызывает снижение прочности этих КМ. Недостатком керамических КМ, армированных металлическими волокнами, является низкая жаростойкость.

Композиционные материалы (КМ) на неметаллической основе отличает хорошая технологичность, низкая плотность и в ряде случаев повышенные удельные прочность и жесткость. Кроме того КМ на неметаллической основе имеют высокую коррозионную стойкость, хорошие теплозащитные и амортизационные свойства. Для большинства КМ с неметаллической основой характерны следующие недостатки: низкая прочность связи волокна с матрицей, резкая потеря прочности при повышении температуры выше 100 - 200 ?С, плохая свариваемость.

По сравнению с другими полимерами, применяемыми в качестве матриц КМ, эпоксидные обладают более высокими механическими свойствами в интервале температур от -60 до 180 ?С, что обеспечивает КМ более высокие прочностные характеристики при сжатии и сдвиге. Эпоксидные матрицы отверждаются при сравнительно невысоких температурах с небольшой усадкой, позволяющей изготавливать из КМ на их основе крупногабаритные детали. При этом не требуется больших давлений, что особенно важно при использовании для армирования высокопрочных крупных волокон, т.к. уменьшается вероятность их повреждения.

Эпоксидные матрицы уступают феноло - формальдегидным и особенно полиамидным в теплостойкости.

Один из способов улучшения свойств КМ является увеличение жесткости матрицы с помощью введения в их структуру ионов металлов, которые усиливают взаимосвязь между полимерными волокнами.

Самую высокую прочность имеют стекловолокниты. частичная замена стеклянных волокон на углеродные увеличивает жесткость КМ. Углеволокниты обладают низкими теплопроводностью и электрической проводимостью. Они имеют малый стабильный коэффициент трения и обладают хорошей износостойкостью. Но обладают низкой прочностью при сжатии и сдвиге, твердостью и модулем упругости.

Бороволокниты характеризуются высокими временным сопротивлением, пределами прочности при сжатии и сдвиге, твердостью и модулем упругости.

Органоволокниты обладают высокой удельной прочностью в сочетании с хорошими пластичностью и ударной вязкостью. Слабые межмолекулярные связи являются причиной низкой прочности и жесткости при сжатии.

Контрольная работа №2

Вариант 18

Шатуны автомобильного двигателя изготовлены из стали 35ХН2М

1. Провести анализ условий работы детали или инструмента. Исходя из этого, сформулировать требования, предъявляемые к материалу.

2. Дать характеристику предложенной стали: химический состав по госту, критические точки, цель введения легирующих элементов и др.

3. Назначить и обосновать режимы термической обработки изделия для получения требуемых по условиям работы свойств ( температуру аустенизации, охлаждающую среду, температуру отпуска и т.д )

4. Описать микроструктуру и привести механические свойства стали после окончательной термической обработки.

5. Привести другие марки сталей из которых может быть изготовлена указанная деталь или инструмент, и кратко описать их термическую обработку.

1. Шатун служит связующим звеном между поршнем и кривошипом коленчатого вала. Так как поршень совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение, а коленчатый вал -- вращательное, то шатун совершает сложное движение и подвергается действию знакопеременных, носящих ударный характер нагрузок от газовых сил и сил инерции

2. Сталь 35ХН2М относится к улучшаемым (среднеуглеродистым) конструкционным сталям. Состав стали: 0,33 - 0,40 % С; 0,3 - 0,6 % Mn; 0,8 - 1,1 % Cr; 0,35 - 0,40 % Mo; 1,3 - 1,7 % Ni. Критические точки: А_С1 = 755 ⁰С; А_С3 = 800 ⁰С; A_r3 = 750 ⁰C; A_r1 = 695 ⁰C. Легирование хромом позволяет получить при охлаждении в масле сквозную прокаливаемость до диаметра 20 мм при некотором снижении порога хладноломкости. Дополнительное легирование марганцем и молибденом также способствует увеличению глубины прокаливаемости. Никель, в отличие от других элементов, одновременно углубляет прокаливаемость и снижает порог хладноломкости

3. Уровень механических свойств изменяется в широких пределах в зависимости от режима термической обработки, в основном от температуры отпуска. Т.к. в данном изделии требуется получить высокую прочность и высокую пластичность и вязкость, то следует применить улучшение с высоким отпуском. Это позволит получить в структуре стали сорбит, который обеспечит требуемый уровень прочности.

Термообработка данной стали заключается в закалке с температуры 850 ⁰С, с охлаждением в масле и высоком отпуске при температуре 600 - 620 ⁰С, охлаждение на воздухе. Комплексное легирование позволяет получить сквозную прокаливаемость при меньшей скорости охлаждения, что приводит к снижению остаточных напряжений и улучшает общий уровень механических свойств стали. Для получения высоких значений прочности и пластичности следует применить высокий отпуск стали.

4. Микроструктура стали после закалки и высокого отпуска состоит из продуктов распада мартенсита. При высоком отпуске это - сорбит. Механические свойства стали: , твердость 269 НВ (после отжига), 293 - 331 НВ (после улучшения).

5. Шатуны автомобильных двигателей также могут быть изготовлены из сталей 40ХН, 40ХН2МА, 40Х2Н2МА, 40ХМФА. Высокие значения прочностных свойств и ударной вязкости обеспечиваются термическим улучшением: закалкой от 820 … 880 ⁰С и отпуском при 550 … 680 ⁰С.

Контрольная работа № 1.

вариант 12.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Начертить диаграмму состояний железо- цементит с указанием во всех ее областях фаз и структурных составляющих. Рассмотрите формирование структуры при охлаждении из жидкого состояния сплава, содержащего 3,4 % С. В произвольной точке этого сплава между линиями ликвидус и солидус определите содержание углерода в фазах и их количество.

Кристаллизация сплава, содержащего 3,4 % С начнется в точке 1 с выделения первичных кристаллов аустенита. При последующем охлаждении происходит выделение кристалла аустенита переменного состава. В точке 2 при 1147 ⁰С, жидкость принимают концентрацию эвтектической точки и идет кристаллизация эвтектики . Кристаллизацией эвтектики заканчивается первичная кристаллизация этого сплава. В результате первичной кристаллизации структура состоит из первичных кристаллов аустенита и ледебурита - эвтектической смеси аустенита и цементита. При дальнейшем охлаждении от точки 2 до точки 3 первичные выделения аустенита меняют свою концентрацию от 2,14 до 0,8 % С, и в точке 3 происходит перлитное превращение . При комнатной температуре (точка 4) структура такого сплава состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При температуре Т₁ сплав находится между линиями ликвидуса и солидуса в двухфазной области (Ж + А). Состав жидкости определяется проекцией точки b и составляет 3,8 % С, состав аустенита определяется проекцией точки а - 1,75 % С. Количественное соотношение фаз по правилу отрезков: .

Контрольная работа №2

Вариант 12

Поршневые пальцы двигателя внутреннего сгорания изготовлены из стали 12ХН3А.

1. Провести анализ условий работы детали или инструмента. Исходя из этого сформулировать требования, предъявляемые к материалу.

2. Дать характеристику предложенной стали: химический состав по госту, критические точки, цель введения легирующих элементов и др.

3. Назначить и обосновать режимы термической обработки изделия для получения требуемых по условиям работы свойств ( температуру аустенизации, охлаждающую среду, температуру отпуска и т.д )

4. Описать микроструктуру и привести механические свойства стали после окончательной термической обработки.

5. Привести другие марки сталей из которых может быть изготовлена указанная деталь или инструмент, и кратко описать их термическую обработку.

1. Поршневые пальцы ДВС при работе испытывают большие напряжения и удары, поэтому для их изготовления следует выбрать хромникелевую высокопрочную сталь.

2. Сталь 12ХН3А относится к группе цементуемых (низкоуглеродистых) конструкционных сталей.

Состав стали 12ХНЗА:0,09 - 0,16 %С; 0,3 - 0,6 % Mn; 0,6 - 0,9 % Cr; 2,75 - 3,15 % Ni. Критические температуры: А_С1 = 715 ?С, А_С3 = 773 ?С. Комплексное легирование стали хромом и никелем способствует более высокому положению точки М_К, что приведет образованию в этой стали в закаленном состоянии лишь небольшого количества остаточного аустенита, что, в свою очередь, повысит механические свойства стали. Кроме того, комплексное легирование хромом, марганцем и никелем значительно увеличивает прокаливаемость стали.

3. Основные требования к данной детали - высокопрочный и износоустойчивый поверхностный слой при сохранении высокой и пластичной сердцевины. Значительно повысить и износоустойчивость в стали с низким содержанием углерода можно цементацией. Цементацией называется процесс насыщения стали углеродом. Цементацию следует проводить при температуре 900 - 930 ⁰С в течение примерно 8 ч. При этом толщина цементованного слоя составит 1,6 мм. Структура цементованного слоя после медленного охлаждения от температуры цементации состоит из нескольких зон с различным содержанием углерода. Поверхностная зона, в которой углерода больше 0,8 - 0,9 % имеет структуру перлит + цементит; затем следует зона с содержанием углерода около 0,8 %, и наконец, зона, содержащая углерода менее 0,7 %, плавно переходящая в структуру сердцевины.

Задачи цементации - получить высокую поверхностную твердость и износоустойчивость при вязкой сердцевине - не решается одной цементацией. Цементацией достигается лишь выгодное распределение углерода по сечению. Окончательно формирует свойства цементованной детали последующая закалка, при которой на поверхности получается высокоуглеродистый мартенсит, а в сердцевине сохраняется низкая твердость и высокая вязкость. Цементированная деталь после закалки для снятия внутренних напряжений подвергается отпуску при низкой температуре

Режим окончательной термообработки стали заключается в закалке с температур 760 - 810 ⁰С с охлаждением в масле и низком отпуске при температуре 180 ⁰С, охлаждение на воздухе или в масле. В этой стали на диаграмме распада аустенита выступ С - образной кривой сильно сдвинут вправо, поэтому даже при медленном охлаждении (закалка в масле) дает возможность получить в сердцевине структур мартенсита. Низкий отпуск при 180 ⁰С не вызовет каких - либо изменений в сердцевине изделия, но приведет к отпуску тетрагонального мартенсита в поверхностном слое.

4. В результате после термообработки структура сердцевины будет состоять из нижнего бейнита или мартенсита, а структура поверхностного слоя - отпущенный мартенсит. Механические свойства стали: ; твердость (после отжига) не более 217 НВ. Твердость поверхностного слоя 58 - 62 HRC.

5. В качестве материала для изготовления поршневых пальцев ДВС могут быть использованы стали 15Х, 15ХА, 20Х и др. Термическая обработка этих сталей заключается в закалке и низком отпуске.

Размещено на Allbest.ru