Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Технология конструкционных материалов

1. Что такое дислокация? Виды дислокаций и их влияния на механические свойства металлов. Как связано число твердости НВ с временным сопротивлением? Что больше - KCU, KCV или KCT одного и того же материала? Почему?

Наиболее распространенными и очень важными с точки зрения формирования прочностных свойств металлов являются дефекты, имеющие протяженность только в одном направлении, или линейные дефекты. Их принято называть дислокациями. Образуются дислокации в результате локальных или местных смещений кристаллографических плоскостей, происходящих в кристаллической решетке зерен на различных технологических этапах их формирования. Наиболее распространенной и характерной разновидностью дислокации является краевая дислокация (рис. 1).

Рис. 1 Схема краевой дислокации в кристаллической решетке

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение атомной плоскости за счет введения в нее дополнительной атомной полуплоскости - экстра плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости чертежа. Условно подразделяют краевые дислокации на положительные и отрицательные. Положительная дислокация соответствует случаю, когда сверху есть лишняя атомная полуплоскость. Соответственно в верхней половине кристалла действуют сжимающие напряжения, в нижней растягивающие. Отрицательная дислокация соответствует случаю, когда верхняя половина кристалла растянута, нижняя сжата. Тут же на рисунке показаны значки, которыми изображают положительную и отрицательную дислокации. Нетрудно видеть, что эти две дислокации различаются лишь поворотом на 180є. По этому не имеет смысла говорить о знаке дислокации, если эта дислокация одна: знак существен, если рядом есть другая дислокация. Силы упругого взаимодействия между дислокациями зависят от знака дислокации: одноименные дислокации отталкиваются, разноименные притягиваются.

Второй разновидностью линейных дефектов кристаллической решетки является винтовая дислокация (рис. 2). Она формируется и перемещается при сдвиге одной части кристалла относительно другой по какой-нибудь плоскости под действием внешних сдвиговых (касательных) сил Р (перемещение дислокации АВ..A`B`, рис. 2). На схеме сдвиг распространился от переднего края кристалла до линии АВ, параллельной силам Р. При этом правый край кристалла сместился вниз на параметр решетки. При дальнейшем действии этих сил АВ продолжит мещение к задней стенке с кристалла-А`В`.

Рис. 2 Схема винтовой дислокации

Вокруг текущих положений (рис. 2, линия А В) кристаллографические атомные плоскости-поверхности оказываются изогнутыми. Если проследить ход этих плоскостей от левой части кристалла к правой вокруг АВ сверху вниз, то окажется, что все они, т.е. атомные слои плоскости, как бы представляют одну винтовую поверхность, закрученную вокруг АВ по часовой стрелке в данном случае. Сама линия АВ, вокруг которой формируются геометрические и энергетические искажения в кристаллической решетке, и является винтовой дислокацией.

Одним из параметров, характеризующих поведение дислокации во время пластической деформации, является вектор Бюргерса. Он показывает степень искажения кристаллической решетки вокруг дислокации. Упругая энергия вокруг дислокации пропорциональна квадрату вектора Бюргерса. Чтобы определить вектор Бюргерса, надо вокруг дислокации построить контур Бюргерса (рис. 3). Протяженность сторон контура выбирается произвольно. Например, контур ABCD вокруг краевой дислокации + по вертикали содержит четыре параметра решетки, по горизонтали - над дислокацией тоже четыре параметра, а под ней - три. Отрезок АЕ, по модулю равный параметру решетки, принято считать вектором Бюргерса. Он перпендикулярен линии дислокации.

Рис. 3 Схема определения вектора Бюргерса

Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дислокаций может достигать большой величины. Плотность дислокаций - это суммарная протяженность линий дислокаций в единице объема кристалла.

Плотность дислокаций - важнейшая техническая характеристика качества кристалла. В кристаллах, выращенных обычными методами кристаллизации из расплава, плотность дислокаций составляет 10⁴ - 10⁶ см². Путем отжига можно понизить эту плотность до 10³ - 10⁴ см^-2. В результате пластической деформации плотность дислокаций быстро возрастает на несколько порядков. Наилучшие полупроводниковые кристаллы, полученные путем выращивания, имеют плотность дислокаций 10² - 10³ см^-2 и даже порядка нескольких единиц на квадратный сантиметр, выращиваются и бездислокационные кристаллы. Дислокации легко перемещаются в направлении, перпендикулярном экстра плоскости. Чем легче перемешаются дислокации, тем ниже прочность металла, тем легче идет пластическая деформация.

Согласно теории И.А. Одинга, зависимость между прочностью металла а и плотностью дислокаций р может быть представлена графиком (рис. 4). Точка А соответствует прочности бездефектного металла, т.е. теоретической прочности. На участке АВ по мере увеличения плотности дислокаций наблюдается снижение прочности. Верхняя часть этого участка, близко примыкающая к точке А, соответствует прочности так называемых «усов», т.е. специально выращиваемых продолговатых кристалликов с очень низкой плотностью дислокаций. Прочность «усов» близка к теоретической. Они широко применяются при изготовлении композиционных сплавов в качестве упрочнителей. (Интересно заметить, что термин «усы» является дословным переводом с английского слова «вискерс», означающего по-русски жесткие усы животных.) В точке В при плотности дислокаций - уменьшение прочности прекращается и начинается ее постепенный рост. Это объясняется тем, что с увеличением р перемещение дислокаций затрудняется в связи с тем, что они начинают передвигаться не по параллельным, а по пересекающимся плоскостям других систем скольжения, тем самым препятствуя движению друг друга (участок ВС).

Характер влияния плотности дислокаций р на прочность металла можно оценить по формуле Келли-Наттинга:

где - предел текучести сплава; - предел текучести отожженного металла; б - коэффициент, зависящий от вида дислокаций; G - модуль сдвига; b - вектор Бюргерса.

Рис. 4. Влияние искажений кристаллической решетки на прочность кристаллов

Твердость - это свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора (твердосплавный наконечник) в его поверхность. Испытания на твердость - самый доступный и распространенный вид механических испытаний. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Виккерса и метод Роквелла.

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке при растяжении, предшествующей разрушению, называется временным сопротивлением хв, оно измеряется в МПа. Между временным сопротивлением и числом твердости НВ для различных металлов установлена следующая примерная зависимость: для стали хв? 0,34-0,35 НВ; для медных отожжённых сплавов хв?0,55НВ; для алюминиевых сплавов

хв ?0,35-0,36 НВ.

Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивается работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.

Ударная вязкость КС, Дж/ определяется как отношение работы разрушения К, затраченной на деформацию и разрушение ударным изгибом надрезанного образца, к начальной площади поперечного сечения образца в месте надреза Sо по формуле КС= К/Sо.

В зависимости от вида концентратора напряжений различают образцы трех типов: с радиусом дна надреза 1,0 мм (тип U), 0,25 мм (тип V), и инициированной трещиной (тип Т).

Из вышеизложенного следует: KCU?KCV?KCT

Основным критерием ударной вязкости является KCV:

KCV = KC_з+KC_р,

где КС₃ - работа зарождения трещины; КС_р ? КСТ - работа распространения трещины. Чем острее надрез тем меньше КС₃.

2. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа и укажите на ней температуру изометрической закалки стали 60СГА. Постройте кривую охлаждения и укажите химический состав стали, закалочной среды и зарисуйте полученную структуру

Характеристика материала 60СГА

Марка: 60 СГА;

Классификация: сталь конструкционная легированная высококачественная, с пониженным содержанием серы и фосфора

Химический состав в % материала 60СГА

Температуру закалки определяем по диаграмме состояния железо - цементит.

При закалке доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30-50° выше точки Ас₃. При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура превращается в аустенит. Для стали 60СГА температура нагрева составит 790 - 820 гр.

Закалку выполняют так же как и ступенчатую, но предусматривается более длительная выдержка выше точки М_н. При выдержке происходит распад аустенита с образованием нижнего бейнита. Сталь после нагрева до температуры закалки охлаждают в среде, имеющей температуру несколько выше точки М_н, и выдерживают в ней, затем изделие охлаждают до комнатной температуры на воздухе (рис. 2).

У большинства легированных сталей распад аустенита в промежуточной области не идет до конца. Если аустенит, не распавшийся при изотермической выдержке, не претерпевает мартенситного превращения при дальнейшем охлаждении, то сталь получает структуру бейнита и 10-20% остаточного аустенита (рис. 3), обогащенного углеродом. При такой структуре достигается высокая прочность при достаточной вязкости. Для многих сталей изотермическая закалка обеспечивает значительное повышение конструктивной прочности.

Если же большая часть аустенита, не распавшегося после окончания промежуточного превращения, при последующем охлаждении претерпевает мартенситное превращение, то после изотермической закалки резко снижается пластичность.

В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотермической закалках чаще применяют расплавленные соли в интервале температур 150-500°С [например, 55% KNO₃ + 45% NaNO₂ (или NaNO₃), а также расплавленные щелочи (20% NaOH + 80% КОН). Чем ниже температура соли (щелочи), тем выше скорость охлаждения в ней. Поскольку расплавленные соли охлаждают только вследствие теплоотдачи, то охлаждающая способность их возрастает при перемешивании. Добавление воды (3-5%) в расплавы едких щелочей вызывает кипение и увеличение скорости охлаждения в области температур перлитного превращения. Скорость охлаждения возрастает при 400-450°С в 4-5 раз, а при 300°С - в 2 раза. Охлаждение в расплавах едких щелочей, если предварительно детали нагревали в жидких солях (т.е. солях, не вызывающих окисления), позволяет получить чистую поверхность светло-серого цвета. Закалку по этому способу называют светлой.

Рис. 2. Схема охлаждения при Рис. 3. Микроструктура при изотермической изотермической закалке. закалке - бейнит +остаточный аустенит

карбид железо сплав сталь

3. Приведите классификацию и маркировку сталей и сплавов с особыми физическими свойствами. Назовите области их применения

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами классифицируются по признаку основного свойства. В соответствии с этим принципом их можно разделить на следующие группы:

- магнитные и электротехнические стали и сплавы;

- сплавы с особыми тепловыми и упругими свойствами;

- сплавы с эффектом памяти формы;

- сверхпроводящие материалы;

- радиационно-стойкие материалы;

- другие виды сталей и сплавов с особыми физическими свойствами.

Магнитные и электротехнические стали и сплавы

В зависимости от знака и степени магнитной восприимчивости материалов различают диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики обладают отрицательной магнитной восприимчивостью. Они намагничиваются противоположно приложенному магнитному полю и таким образом ослабляют его. К диамагнетикам относятся полупроводники (Si, Ge), диэлектрики (полимеры), ряд переходных металлов (Be, Cu, Ag, Pb).

Парамагнетики характеризуются слабой намагниченностью под действием внешнего поля. К парамагнетикам относятся К, Na, A1, а также такие переходные металлы, как Mo, W, Ti.

Ферромагнетики обладают высокой магнитной восприимчивостью. Из всех металлов только четыре (железо, кобальт, никель и гадолиний) обладают высокими ферромагнитными свойствами.

В зависимости от значений основных магнитных характеристик различают магнитотвердые и магнитомягкие сплавы. Магнитотвердые материалы должны обладать высокими значениями коэрцитивной силы и остаточной индукции. Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом, вольфрамом, а также одновременно несколькими элементами.

Состав и свойства сталей для постоянных магнитов (ГОСТ 6862-54)

Обозначают магнитно-твердые стали индексом «Е», указывая далее буквой с цифрой наличие хрома и его содержание в целых процентах (например, ЕХ2, ЕХЗ).

Высокими магнитными свойствами обладают сплавы системы Fe-Ni-Co. Их называют сплавами типа альнико или ЮНДК. Недостатком сплавов альнико является их высокая твёрдость, хрупкость и плохая обрабатываемость. Поэтому магниты из них изготавливают литыми и обрабатывают шлифованием. Очень хорошие, но дорогие магниты изготавливают из сплавов с высоким содержанием кобальта B5-50%). Эти сплавы - пермендюр 50% Fe, 50% Co) и перминвар (45% Ni, 25% Co, 23% Fe). Их обычно легируют небольшими добавками молибдена, ванадия или хрома. Недавно разработаны новые сплавы - гиперко 5-HS (2% V, 48,5% Со, остальное - железо) и кровак (Fe-Cr-Co), а также сплавы с применением редкоземельных металлов самария (Sm) и неодима (Nd).

Состав и свойства сталей для постоянных магнитов (ГОСТ 6862-54)

Состав и магнитные свойства некоторых литых сплавов типа альнико для постоянных магнитов (ГОСТ 17809-72)

Магнитомягкие материалы

Основные требования к магнитомягким материалам: низкие значения коэрцитивной силы, высокая магнитная проницаемость и малые потери при перемагничивании на вихревые токи. Для удовлетворения этих требований металл должен обладать гомогенной структурой, быть чистым от примесей и неметаллических включений и иметь крупнозернистое строение, свободное от внутренних напряжений, вызываемых наклёпом.

В качестве магнитомягкого материала применяют технически чистое железо, в котором все примеси, особенно углерод, являются вредными. Содержание углерода не должно превышать 0,025%. Для устранения наклёпа и получения крупного зерна листовой металл подвергают высокотемпературному отжигу в безокислительной атмосфере. Технически чистое железо применяют для изготовления реле, сердечников, электромагнитов постоянного тока. Низкое удельное электрическое сопротивление увеличивает потери при перемагничивании. Поэтому применение технически чистого железа ограничивается устройствами с постоянным магнитным полем. По химическому составу промышленно применяемые магнитномягкие (электротехнические) стали и сплавы делятся на:

· низкоуглеродистые (0,05…0,005% С) с содержанием кремния 0,8…4,8%;

· сплавы железа с никелем.

Более высокое электрическое сопротивление имеют электротехнические низкоуглеродистые стали, дополнительно легированные кремнием в количестве 0,8 - 4,8%. Благодаря более высокому электрическому сопротивлению снижаются потери на вихревые токи. Однако при содержании кремния около 4% происходит охрупчивание стали, что затрудняет производство тонколистового металла.

В России принята цифровая маркировка электротехнической стали. Первая цифра определяет структуру и вид проката: 1 - горячекатаная изотропная; 2 - холоднокатаная изотропная; 3 - холоднокатаная анизотропная с кристаллической структурой направления [100]. Вторая цифра в марке определяет содержание кремния: 0 - < 0,4%; 1 - 0,4-0,8%; 2 - 0,8-1,8%; 3 - 1,8-2,8%; 4 - 2,8-3,8%; 5 - 3,8-4,8%. Третья цифра определяет потери на гистерезис и тепловые потери при определённом значении В и f. Например, при третьей цифре 1 удельные потери стали 1311 при В=1,5 Тл и частоте тока f = 50 Гц составляют PJj5/5o = 6,1 Вт/кг. Четвёртая цифра - код числового значения нормируемого параметра. Чем больше цифра, тем меньше удельные потери Pi, 5/so.

Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необходимо применение сплавов со строго регламентированными значениями в определённых температурных интервалах эксплуатации таких физических свойств, как температурные коэффициенты линейного расширения б (ТКРЛ) и модуля нормальной упругости в (ТКМУ). Эти коэффициенты определяют характер изменения размеров детали и модуля упругости сплава при нагреве. Подбор определённого химического состава позволяет разработать сплавы, модуль упругости которых практически, не зависит от температуры. Сплавы, сохраняющие постоянство модуля упругости в широком температурном диапазоне, называют элинварами. Область использования: измерительные приборы, геодезические измерительные ленты, регуляторы расширения, компенсационные элементы, компоненты термобиметаллов. Основным представителем сплавов с минимальным ТКЛР является сплав 36Н - инвар. Замена части никеля равным количеством кобальта и легирование малыми добавками меди позволяет дополнительно снизить ТКЛР инвара. Такой сплав называют суперинварном.

Сплавы с особыми упругими свойствами

По способу упрочнения и физико-механическим свойствам пружинные сплавы можно разделить на следующие группы:

- аустенитные дисперсионно-твердеющие коррозионно-стойкие сплавы;

- аустенитные деформационно-твердеющие коррозионно-стойкие сплавы;

- сплавы с низким и постоянным коэффициентом модуля упругости (элинвары).

Дисперсионно-твердеющие сплавы

Сплавы этой группы обладают высокими упругими свойствами, сохраняющимися при нагреве до 550°С, малыми упругими несовершенствами (гистерезис, упругое последействие), прямолинейным изменением модуля упругости в интервале температур 20 - 600°С, немагнитностью, коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах, в условиях морского и тропического климата. Дисперсионно-твердеющие сплавы производят на основе систем: Fe - Ni-Cr, Ni-Cr, Co-Ni, Nb-Ti.

Сплавы на основе системы Fe-Ni-Cr. Среди сплавов на основе системы Fe-Ni-Cr наиболее широкое применение нашли сплавы типа 36НХТЮ (Ni - 35-37%, Сг - 11,5-13,0%, Ti - 2,7-3,2%, А1 - 0,9-1,2%, С < 0,05%, ГОСТ 10994-74). Химический состав этих сплавов выбран с учётом обеспечения аустенитной структуры, повышенной коррозионной стойкости и значительного упрочнения. Первое условие выполняется благодаря содержанию никеля и хрома. Коррозионная стойкость обеспечивается введением около 13% хрома. Сплав 36НХТЮ применяется для упругих чувствительных элементов, работающих до температуры 250°С, сплав 36НХТЮ5М - до 350°С, сплав 36НХТЮ8М-до 400°С.

Сплав на основе системы Ni-Cr

Сплав 47ХНМ отличается от сплава типа 36НХТЮ значительно более высокой коррозионной стойкостью (в 10 и более раз) в окислительных средах на основе азотной кислоты. Максимальные значения прочности и твёрдости сплава получают после закалки от 1200-1250°С (охлаждение в воде) и старения при 700-725°С в течение 5 часов. Модуль упругости в интервале температур 20-500°С прямолинейно уменьшается от 237000 до 194000 МПа. Сплав применяется для изготовления упругих и упруго-чувствительных элементов, а также как коррозионно-стойкий материал. Другой сплав этой группы 40ХНЮ-ВИ после закалки с 1150°С, в результате чего получается аустенитная структура, и старения при 500-550°С в течение 5 часов обладает твёрдостью HRC 64-67, модулем упругости при 20°С 228000 МПа, а при 500°С - 201500 МПа, высокой коррозионной стойкостью во влажной среде и в условиях тропического и морского климата. Из сплава изготавливают приборные подшипники, режущие инструменты, детали передаточных механизмов, керны приборов.

Сплав на основе системы Co-Ni

Сплав 67КН5Б в закалённом от 1000-1050°С состоянии имеет аустенитную структуру, обладает высокой пластичностью E = 35-40%). Из сплава 67КН5Б можно получать проволоку и ленту микронных размеров, допускается холодная деформация с обжатием до 90%. В деформированном состоянии возможна штамповка и навивка пружин. Сплав обладает низким электросопротивлением, высокой релаксационной стойкостью при 400-450°С, коррозионной стойкостью, хорошо смачивается ртутью. Сплав применяют для токоведущих упругих элементов, контактных пружин, в частности для электромагнитных и ртутных реле.

Сплав на основе системы Nb-Ti

Сплав 55БТЮ предназначен для пружин ответственного назначения, которые наряду с высокими упругими свойствами, теплостойкостью и коррозионной стойкостью должны обладать сочетанием немагнитности и малого изменения модуля упругости при нагреве.

Деформационно-твердеющие сплавы

Сплавы этой группы обладают высокими упругими и прочностными характеристиками (хв до3000 МПа), усталостной прочностью, твёрдостью, сопротивлением износу, немагнитностью и коррозионной стойкостью во многих средах. Из деформационно - стареющих сплавов изготавливают упругие элементы преимущественно малого сечения - заводные пружины, керны, растяжки, приборные подшипники, торсионы, пишущие элементы, измерительные пружины и другие детали из холоднодеформированной проволоки и плющенки.

Химический состав деформационно-твердеющих сплавов приведён в таблице.

Сплавы с температурно-стабильным модулем упругости (элинвары)

Элинвары делят на три группы:

- упрочняемые карбидами;

- дисперсионно-твердеющие;

- деформационно-твердеющие.

Сплавы, упрочняемые карбидами, характеризуются таким содержанием углерода, которое обеспечивает образование необходимого количества карбидов. В их состав входит около 35-36% никеля и различное количество карбидообразующих элементов. Сплавы, упрочняемые карбидами, обладают рядом существенных недостатков, ограничивающих их применение: сильной ферромагнитностью, трудностью изготовления деталей, плохой свариваемостью и недостаточной коррозионной стойкостью.

Дисперсионно-твердеющие элинвары обязательно легируют титаном и алюминием, образующими интерметаллические соединения. Характерным для этих сплавов является низкое содержание углерода (< 0,05%).

Деформационно-твердеющие элинвары представлены сплавами 36НХ11 и ЭП297. Их отличает температурная стабильность модуля упругости, которая сохраняется до 100°С. Эти сплавы имеют наиболее высокую коррозионную стойкость из всех элинварных сплавов.

Сплавы с эффектом памяти формы

Наиболее перспективными сплавами с эффектом памяти формы (ЭПФ) являются сплавы системы Ti-Ni-никелид титана (нитинол). Реже используют более дешёвые сплавы на основе меди Cu-Al-Ni и Cu-Al-Zn.

Химический состав сплавов никелида титана, %(масс.)

Из сплавов никелида титана производят листы толщиной до 10 мм, проволоку, прессованные прутки диаметром до 110 мм и трубы с наружным диаметром до 50 мм. Основным недостатком сплавов на основе меди является их высокая хрупкость. После холодной деформации на 2-3% происходит интеркристаллитное разрушение. Поэтому возможна только горячая их обработка. Кроме того, сплавы на основе меди характеризуются более низким сопротивлением усталости.

Применение сплавов с эффектом памяти формы позволяет создавать принципиально новые конструкции в разных отраслях машиностроения, приборостроения, авиакосмической и ракетной техники, энергетики, медицины и др.

В авиации, космонавтике, при монтаже подводных конструкций и многих других случаях применяют муфты для термомеханического соединения труб. Преимуществом муфт, изготовленных из сплавов с памятью формы, помимо их высокой надёжности, является отсутствие высокотемпературного нагрева (в отличие от сварки). Поэтому свойства материалов вблизи соединения не ухудшаются.

Список литературы

карбид железо сплав сталь

1. Солнцев Ю.П., Ряхин Е.И. Материаловедение: учебник для вузов. - Химиздат, 2004

2. Технология металлов и материаловедение: учебник для вузов и техникумов. Под редакцией Л.П. Усовой. Металлургия, 1987

3. Материаловедения и технология металлов: учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. Г.П. Фитисов, М.Г. Карпман: Высшая школа 2002

Размещено на Allbest.ru