Полиморфизм стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Кафедра литейных процессов и конструкционных материалов

Контрольная работа

по дисциплине: Материаловедение

Выполнил студент

гр. ЗАТсд-111 Маркелов А

Приняла Л.В. Картонова

Владимир 2012

1. Что такое полиморфное превращение, и какие необходимы условия его протекания? Опишите явление полиморфизма в приложении к титану, а также строение и основные характеристики кристаллической решетки (параметры, координационное число, плотность упаковки) для объемно-центрированной кубической модификации

Как и при кристаллизации из жидкой фазы, полиморфное превращение протекает только при переохлаждении или перегреве относительно равновесной температуры и возникновения разности свободных энергий между исходной и образующейся модификациями. При данном превращении в отличие от кристаллизации из жидкой фазы возможно достижение очень больших степеней переохлаждения. Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерен исходных фаз.

Полиморфное превращение сопровождается скачкообразным изменением всех свойств материала: теплопроводности, электропроводности, магнитных, химических и механических свойств и др.

Титан имеет высокую удельную прочность, которая равна 22 (отношение предела прочности к удельному весу).

При нормальной температуре и до температуры 882⁰ С титан будет иметь плотноупакованную гексагональную атомно-кристаллическую ячейку (? - титан), а выше температуры 882⁰ С - объемно-центрированную кубическую ячейку (?-титан).

Воздействие примесей на титан многообразно. Азот, кислород и водород снижают пластичность; углерод - ковкость и обрабатываемость резанием; углерод и кислород - коррозионную стойкость. Температуру полиморфного превышения повышают алюминий, кислород, азот. Они расширяют ? - область и потому их называют ? - стабилизаторами. Такие элементы, как молибден. Ванадий. Марганец, хром и железо, понижают температуру полиморфного превращения и расширяют область ? - фазы, их называют ? - стабилизаторами. Марганец, железо, кремний и другие образуют с титаном металлические соединения (интерметаллиды).

Все титановые сплавы обладают низкими антифрикционными свойствами, имеют предел прочности в три раза выше, чем конструкционная легированная сталь, имеет высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах (газ, кислота, щелочи). Высокие свойства сохраняются до Т 400⁰ С.

2. Явление сверхпластичности металлов и сплавов

Сверхпластичностью называют способность металлов и сплавов к значительной равномерной деформации, при которой относительное удлинение достигает сотен и тысяч процентов. Для того чтобы сплавы приобрели сверхпластичность, необходимо получить ультрамелкозернистую структуру. Такое структурное состояние достигается путем соответствующей термической обработки.

Эффект сверхпластичности металлов и сплавов внешне проявляется в форме аномального квазиоднородного удлинения при малых значениях напряжений пластического течения. Металловедческими исследованиями установлено, что специфика подобной аномалии заключается в превалировании механизма зернограничного проскальзывания над другими формами массопереноса. Реализации указанного механизма способствует формирование ультрамелкозернистой структуры на предварительном этапе (структурная или микрозеренная сверхпластичность) или в процессе нагрева и деформации (динамическая сверхпластичность). Очевидно, что динамическая сверхпластичность имеет место в промышленных металлических материалах, которые реагируют на изменение температурных и кинематических условий в виде различной природы структурных превращений. В частности, промышленные алюминиевые сплавы в исходном литом и деформированном состояниях проявляют сверхпластические свойства в термомеханических режимах структурного фазового перехода - динамической рекристаллизации. В процессе последней в материале возникает равновесная структура с очень мелким зерном, примерно совпадающим по размерам с субзернами. Так создается структурная ситуация, способствующая осуществлению зернограничного проскальзывания. Наличие ультрамелкого зерна можно считать необходимым, но недостаточным условием развития эффекта. К микрозернистости следует добавить требование равноосности и несклонности к росту зерна при нагреве и деформации. Важным структурным элементом считаются также границы зерен.

Используя эффект сверхпластичности, можно при небольших усилиях осуществить большие деформации; при этом возможно использование оборудования меньшей мощности. Сверхпластичность позволяет проводить обработку давлением труднодеформируемых сплавов.

Сверхпластичность используется в производстве различных деталей и заготовок, главным образом методами объемной изотермической штамповки и пневмоформовки.

3. Выбрать сталь для изготовления кожухов электродвигателей методом глубокой вытяжки. Опишите исходную структуру и механичечские свойства, назначьте режим возможной термической обработки, опишите микроструктуру и свойства стали после термообработки

сталь полиморфизм сверхпластичность металл

Выбираем низкоуглеродистую сталь.

Сталь 08кп - малопрочная, высокопластичная; из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки различных изделий. Сталь08кп- углеродистая качественная кипящая, содержание С -0,8%. Доэвтектоидная сталь.

Исходная структура - ферритно-перлитная.

Таблица 1. Химический состав углеродистых качественных сталей (ГОСТ 1050-88)

Механические свойства: ?_в = 460/460 МПа; ?_т = 240/280 МПа; ? = 27/30 %

Термообработка- низкоуглеродистые стали подвергают нормализации.

При нормализации сталь нагревают до температуры на 30…40 ⁰С выше линии SGL и охлаждают на воздухе. Ускоренное по сравнению с обычным отжигом охлаждение обуславливает несколько большее переохлаждение аустенита. Поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (сорбит) и более мелкое эвтектоидное зерно. В результате прочность стали после нормализации становится больше прочности после отжига.

Нормализацию применяют чаще всего как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием и для устранения дефектов и общего улучшения структуры стали перед закалкой.

Вредными примесями в стали являются сера и фосфор. Основным источником серы в стали является исходное сырье - чугун. Сера снижает пластичность и вязкость стали, особенно при низких температурах, а также сообщает стали красноломкость при прокатке и ковке. Сера нерастворима в стали. Она образует с железом соединение FeS - сульфид железа, хорошо растворимый в металле. При малом содержании марганца благодаря высокой ликвации серы в стали может образоваться легкоплавкая эвтектика Fe-FeS (T_пл = 988°С). Эвтектика располагается по границам зерен. При нагреве стальных заготовок до температур горячей деформации включения эвтектики сообщают стали хрупкость, а при некоторых условиях могут даже плавиться и при деформировании образовывать надрывы и трещины. Марганец устраняет красноломкость, так как сульфиды марганца не образуют сетки по границам зерен и имеют температуру плавления около 1620°С, что выше температуры горячей деформации. Вместе с тем, сульфиды марганца, как и другие неметаллические включения, также снижают вязкость и пластичность, уменьшают усталостную прочность стали. Поэтому содержание серы в стали должно быть как можно меньше.

Повышенное (до 0,2%) содержание серы допускается лишь в автоматных сталях для изготовления крепежных деталей неответственного назначения. Сера улучшает обрабатываемость стали.

Основной источник фосфора - руды, из которых выплавляется исходный чугун. Фосфор является вредной примесью, способной в количестве до 1,2% растворяться в феррите. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность. Фосфор резко отличается от железа по типу кристаллической решетки, диаметру атомов и их строению. Поэтому фосфор располагается вблизи границ зерен и способствует их охрупчиванию, повышая температурный порог хладноломкости.

4. Подберите марки припоев для изготовления (припаивания): а) пластинки из ВК6 к державке и б) выводов транзисторов в радиосхеме. Укажите ориентировочно температуру плавления и механические свойства, а так же требования, предъявляемые к этим припоям

Исходя из условия задачи необходимо подобрать припои для изготовления: пластинки из ВК6 к державке и выводов транзисторов в радиосхеме.

Для того чтобы припаять пластинку из твердого сплава ВК6 к державке подбираем медь, латунь или медно-никелевые сплавы. Припои применяются в виде пластинок толщиной 0,5-0,8 мм, проволоки диаметром 1-3 мм, а также в виде стружки.

Марка припоя:

1. ПОС 90 -- припой (П) оловянно (О)-свинцовый (С) со средним содержанием олова 90 %.

Твердые припои имеют температуру плавления выше 400⁰ С (как правило, в пределах 800…900⁰ С) и являются сплавами меди цинка (латуни), цинка и серебра (серебряные припои).

Механические свойства припоя зависят от содержания цинка: сопротивление при растяжении возрастает от 30…32% Zn, затем падает. Твердость по мере увеличения содержания цинка до 40…45% увеличивается не значительно.

Механические характеристики: ?_в=450…600 МПА, ?=2…5% (в нагарном) и ?_в=240…380 МПА, ?=52…44% (в отожженном состоянии).

Для того чтобы припаять выводы транзисторов в радиосхеме выбираем высокотемпературные припои. В качестве высокотемпературных припоев используют латуни Cu-Zn или сплавы Cu-Zn- Ag - так называемые серебряные припои с температурой плавления 800⁰ С и маркируются буквами ПСр и цифрой , показывающей среднее содержание серебра в процентах, например ПСр25, ПСр50.

Если же выбирать ПОС попрочнее, то это медно-никелевые сплавы с содержанием 85-90% Gu и 15-10 % Ni или никелевая латунь с содержанием 8-10 % Ni и 30-35% Zn.

Маркаприпоя:

1. ПСр50Кд -- припой серебряный с содержанием 50 % серебра (Ср), имеющий в своем составе кадмий (Кд). Кадмий в серебряных припоях сильно снижает их температуру плавления, одновременно увеличивая жидкотекучесть.

5. Сварить детали 3 и 6 (производство - единичное).

Для данных деталей применяется ручная дуговая сварка.

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом (рис. 1) дуга 8 горит между стержнем электрода 7 и основным металлом 1. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6, образуя газовую защитную атмосферу 5 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковая ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и формируется сварной шов 3. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку 2.

Рис. 1

В перегретой сварочной ванне протекает ряд металлургических процессов: испарение или окисление (выгорание) некоторых легирующих элементов, например углерода, марганца, кремния, хрома и др., и насыщение расплавленного металла кислородом, азотом и водородом из окружающего воздуха. В результате возможно изменение состава сварного шва по сравнению с электродным и основным металлом, а также понижение его механических свойств, особенно вследствие насыщения шва кислородом. Для обеспечения заданных состава и свойств шва в покрытие вводят легирующие элементы и элементы-раскислители.

Кристаллизация сварного шва начинается от границ оплавленного основного металла и протекает путем роста столбчатых кристаллитов к центру шва. При этом оси кристаллита, как правило, остаются перпендикулярными к поверхности движущейся сварочной ванны, в результате чего кристаллиты изгибаются и вытягиваются в направлении сварки (рис. 36). Вследствие дендритной ликвации примеси располагаются по границам кристаллитов, где они могут образовать легкоплавкие эвтектики и неметаллические включения. Это снижает механические свойства шва и в отдельных случаях может; быть причиной образования горячих трещин.

Сварку выполняют, как правило, на постоянном токе обратной полярности, металл шва склонен к образованию пор при наличии ржавчины на свариваемых кромках, требуется высокотемпературная прокалка (400--450°С) перед сваркой и т. д. Наплавленный металл хорошо раскислен и по составу соответствует спокойной стали.

Особенно пригодны для сварки на монтаже в любых пространственных положениях на переменном и постоянном токе. Их применяют для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Наплавленный металл по составу соответствует полуспокойной или спокойной стали.

Режим ручной дуговой сварки. Основным параметром режима ручной дуговой сварки является сварочный ток (А), который выбирают в зависимости от диаметра и типа металла электрода:

I_св = kd_э,

где k -- опытный коэффициент, равный 40--60 для электродов со стержнем из низкоуглеродистой стали и 35--40 для электродов со стержнем из высоколегированной стали, А/мм; d_э -- диаметр стержня электрода, мм.

Диаметр электродов выбирают, исходя из толщины стали ?:

?, мм 1 - 2 3 - 5 4 - 10 12 - 24 и более

d_э, мм 2 - 3 3 - 4 4 - 5 5 - 6

При толщине стали до 6 мм сваривают по зазору без разделки кромок заготовки. При больших толщинах металла выполняют одностороннюю или двустороннюю разделку кромок под углом 60°. Разделка необходима для обеспечения полного провара по толщине. Металл толщиной свыше 10 мм сваривают многослойным швом.

Размещено на Allbest.ru