Структура и обработка конструкционных материалов

Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный экономический университет»

Центр дистанционного образования

Практические работы

по дисциплине: Материаловедение

Структура и обработка конструкционных материалов

Исполнитель: студент Минеев К.С.

Преподаватель: Деденева С.С.

Серов, 2016

Содержание

Практическая работа 1. Анализ диаграммы состояния железо-цементит

Практическая работа 2. Термическая обработка стали

Практическая работа 3. Маркировка цветных металлов и сплавов

Практическая работа 4. Построение диаграмм состояния по данным термического анализа

Список литературы

Практическая работа 1. Анализ диаграммы состояния железо-цементит

Цель работы: изучить диаграмму железо-цементит и построить кривую охлаждения сплава заданного состава

Методика выполнения работы и запись основных результатов:

1. По данным диаграммы Fe - Fe₃C построить кривые охлаждения для сплавов с содержанием углерода: 1,5%, 4,3%, 5%, 0,2%, 0,6%

2. Для указанных сплавов указать структурные и фазовые составляющие (в соответствии с вариантом задания)

№	Содержание С в сплаве, %	Температура, єС
1	1,5	727
2	4,8	1147
3	5	1000
4	0,2	1100
5	0,6	910

3. В разделе "Результаты" отчета по практической работе необходимо привести кривые охлаждения сплавов, указанных в п.1 и описание структурных и фазовых составляющих, указанного в п.2 сплава.

Примечание: Теоретические предпосылки выполнения данной работы представлены в виде видеоматериала по ссылке:

Диаграмма состояния железо-цементит представлена на рис.1.

Компонентами в данной системе являются^- железо и цементит.

Железо: металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26, атомный радиус 0,127 нм. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержи»: 99,999 % Fе, а технические сорта 99,8-99,9% Fe. Температура плавления железа 1539°С.



Рис.1. Диаграмма состояния железо-цементит

Железо имеет две кристаллографические модификации: кубическую объемно-гентрированную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК) кристалллические решетки. Железо с ОЦК решеткой существует в двух температурных иннах:до 911°С и от 1392°С до 1539°С. До температуры 768°С железо ферромагнитно и его называют -железо (), а выше этой температуры - парамагнитно.

Критическую точку (768°С), соответствующую магнитному превращению, т.е. переходу из ферро-магнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри и обозначают А.Парамагнитное железо с ОЦК решеткой обозначают -железо (Fе). А железо в интервале температур 1392-1539°С обозначают железо (Fe). В настоящее время нередко не различают Fe, Fe и Fe и называют железо с ОЦК решеткой - Fe различая только низкотемпературное Fe и высокотемпературное Fe. Период ОЦК решетки зависит от температуры: у низкотемпературного Fe-0,28606 нм, а у высокотемпературного Fe- 0,3649 нм.

В интервале температур 911°-1392°С железо имеет ГЦК-решетку и называется -железо (Fe). Критическую точку ( рис. 1) превращения при 911°С обозначают А_З , а критическую точку ( рис. 1) при 1392°С обозначают А₄ . Период ГЦК решетки равен 0,364 нм. ГЦК решетка более, компактна, чем ОЦК решетка. В связи с этим при переходе Fe в Fe объем железа уменьшается приблизительно на %. Fe парамагнитно.

Железо может растворять различные элементы, образуя с неметаллами твердые растворы внедрения, а с металлами твердые растворы замещения. Механические свойства технического железа характеризуются следующими величинами: предел прочности при растяжении 120МПа. Относительное удлинение 50%, относительное сужение твердость НВ80. Эти показатели могут изменяться в некоторых пределах, т.к. на свойства железа влияет размер зерна, температура, наличие примесей.

Цементит (обозначают Ц) - карбид железа (практически постоянного состава) химическое соединение углерода с железом - Fe₃ С, содержащее углерода 6,67%. Цементит имеет сложную ромбическую peшетку с плотной упаковкой атомов.

Цементит слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при температуре 210°С (критическая точка Ао). Температуру плавления цементита трудно, определить в связи с его распадом при нагреве. Она установлена равной 1260°С при нагреве лазерным лучем.

Механические свойства характеризуются высокой твердостью (>НВ800), но чрезвычайно низкой, практически нулевой, пластичностью. Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов, а атомы железа - металлами. Такой твердый раствор на базе цементита называется легированным цементитом.

На диаграмме Fe- Fe₃ С присутствуют следующие фазы: жидкий раствор ( L ), феррит ( ф, Fe),аустенит (А, Fe(с)) и цементит (Ц).

Феррит - твердый раствор углерода в -железе. Предельная растворимость углерода в низкотемпературном Fe= 0,02 % (т. Pрис. 1), а в высокотемпературном Fe= 0,1 % (т. Н рис. 1). Столь низкая растворимость углерода в Fe обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях).

Феррит - мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: = 300 МПа; = 40%; =70%; KCU= 2,5 МДж/м² ; НВ 80-100.

Аустенит - твердый раствор углерода в -железе. Предельная растворимость углерода в Fe= 2,14% (т. Е рис.1).

Механические свойства аустенита характеризуются меньшей пластичностью и большей прочность и твердостью (НВ 160-200), чем у феррита.

Линии диаграммы (рис.1):

1. АВСD - линия ликвидус

АНJECFD - линия солидус.

HJB - линия перитектического превращения (t - 1499°С).

В результате перитектической реакции образуется аустенит:

Реакция наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от 0,1 до 0,51%. Причем, в сплавах, содержащих углерода от 0,1% до 0,16% после завершения реакции в избытке остается феррит, а в сплавах, содержащих углерода от 0,16% до 0,51% в избытке остается жидкость. Это связано с тем, что перитектическая реакция протекает при строгом количественном соотношении фаз, если какой-то из фаз вступает в реакцию больше оптимального количества - то она остается в избытке. Необходимое количество реагирующих фаз в данной системе определяется т. J (рис.1)

4.ECF- линия эвтектического превращения ( t°C- 1147°C).

В результате эвтектической реакции из жидкой фазы образуется смесь аустенита и цементита. Эта эвтектическая смесь называется ледебуритом (Л)

Реакция протекает у всех сплавов системы, содержащих углерода более 2,14%. Состав смеси при температуре 727°С изменяется, т.к. аустенит превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит-смесь перлита и цементита. В ледебурите цементит, образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (> НВ 700) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

5. PSK - линия эвтектоидного превращения (t°С=727°С). В результате эвтектоидного превращения из аустенита образуется смесь феррита и цементита. Эта эвтектоидная смесь называется перлитом (П); имеет вид перламутра, почему эта структура и получила такое название.

Эвтектоидное превращение протекает во всех сплавах системы, содержащих углерода более 0,02%.

Критические точки згой линии обозначают A. Перлит может иметь зернистое, но чаще имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей со следующими механическими свойства-ми: =800900 МПа; =450 МПа; б16%; НВ 180-220.

6. МО. - линяя магнитного превращения (t°С=727°С). При нагреве ферромагнитный феррит превращается в парамагнитный а при охлаждении наоборот.

7. ES - линия сольвус. Эта линия характеризует изменения концентрации углерода в аустените при изменении температуры. С понижением температуры от 1147°С до 727°С предельная растворимость углерода в аустените понижается от 2,14% до 0,8%, следовательно при охлаждении из аустенита выделяется цементит, называемый вторичным (Ц). (Цементит кристаляизующийся из жидкого раствора называется первичным). Линию ES еще называют линией вторичного цементита. Цементит вторичный образуется во всех сплавах содержащих углерода более 0,8%.

8. PQ- линия сольвус. Эта линия характеризует изменение концентрации углерода в феррите при изменении температуры. С понижением температуры от 727°С до комнатной предельная растворимость углерода в феррите понижается от 0,02% до 0,006%, следовательно, при охлаждении из феррита выделяется цементит, называемый третичным (Цш). Линию РQ еще называют линией третичного цементита.

Во всех сплавах, содержащих углерода более 0,02% происходит образование Цш, но его пластинки нарастают на уже имеющиеся пластинки цементита и поэтому структурно неразличимы.

Проанализируем превращения, протекающие в сплаве, построив кривую охлаждения заданного сплава с применением правила фаз;

Правило фаз устанавливает количественную зависимость между числом степеней свободы (с), числом компонентов (к), образующих систему и числом фаз (Ф), находящихся в равновесии:

С=К - Ф +1

Под числом степеней свободы (вариантностью системы) понимают возможность изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Следовательно, если в точке диаграммы С=0, то на кривой охлаждения - площадка, а если С=1, то на кривой охлаждения - изменение скорости (перегиб).

Все сплавы изучаемой системы можно разделить на две группы: стали, чугуны.

Стали содержат углерода 0,02% до 2,14, а чугуны от 2,14% до 6,67%.

По структуре стали различаются на доэвтектоидные (от 0,02%-0,8% С), эвтектоидные (0,8%С) и заэвтектоидные (0,8% - 2,14%С).

Чугуны по структуре различаются на доэвтектические (от 2,14%-4,3%С), эвтектические (4,3%С) и зазвтектические (4,3% - 6,67%С).

Рассмотрим кристаллизацию некоторого сплава с содержащего 0,3% С (доэвтэктоидная сталь):

Кристаллизация сплава начинается при температуре т.1 (C=1): из жидкой фазы кристаллизуется феррит; состав которого по мере кристаллизации до температуры т.2 (C=0) изменяется по линии (1-Н), а состав жидкой фазы по линии (1-B). При температуре т.2 в сплаве протекает перитектическое превращение с избытком жидкой фазы (Ж), т.к. требуемое количество



а в т.2 количестве

При охлаждении сплава в интервале температур от т.2 до т.З (С=1) происходит превращение оставшегося после перитектической реакции жидкости в аустенит. Ниже температуры т. З состоит из однородного аустенита. При охлаждении сплава в интервале температур от т.З до т.4 (С=1) превращений в нем не происходит.

При температуре т.4 в сплаве начинается превращение аустенита в феррит, при этом состав оставшегося аустенита изменяется по линии (4-5) т.е. аустенит обогащается углеродом. Это превращение продолжается до t°С --727°С, т.е. до т.5'. При этой температуре весь аустенит, содержащий 0,8%°Cпереходит в перлит который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали (Ф+П).

По мере охлаждения сплава от температуры т.5 до комнатной из феррита, входящего в состав перлита будет выделяться Ц_ш но он, как указывалось выше, будет структурно неразличим.

Кривая превращения при охлаждении

3. После закалки углеродистой стали была получена структура мартенсит + цементит. Нанесите на диаграмму состояния железо-цементит ординату (примерно) обрабатываемой стали, укажите температуру ее нагрева под закалку. Опишите превращения, которые произошли при нагреве и охлаждении стали.

Наносим на диаграмму состояния железо-цементит ординату (примерно) обрабатываемой стали, выбираем температуру равную 740 и содержание углерода 1,0. Подвергаем сталь неполной закалке. После закалки заэвтектоидная сталь Аустенит + цементит после охлаждения с критической скоростью в холодной воде (или воду с добавками соли или едкого натра) приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита.

Рисунок 2 - диаграмма состояния Fe

Сплав железа с углеродом, содержащий 1,5% С, называется за эвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре - перлит + цементит.



а) б)

Рисунок 3: а - диаграмма железо - цементит, б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 1,5% углерода

Сплав железа с углеродом, содержащий 4,3% С, называется эвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре Ледебурит (П+Fe₃C).

а) б)

Рисунок 4: а - диаграмма железо-цементит, б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 4,3% углерода

Сплав железа с углеродом, содержащий 5,0 % С, называется за эвтектическим чугуном.

Его структура при комнатной температуре цементит (вторичный) + перлит + ледебурит (перлит + цементит).

а) б)

Рисунок 5: а - диаграмма железо-цементит, б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 5,0 % углерода

Сплав железа с углеродом, содержащий 0,2% С, называется до эвтектоидной сталью. (Рисунок 6).

Его структура при комнатной температуре - Феррит + Цементит (первичный). металл железо сталь эвтектический

Сплав железа с углеродом, содержащий 0,6% С, называется до эвтектоидной сталью. (Рисунок 7).

Его структура при комнатной температуре - Феррит + Перлит.



а) б)

Рисунок 6: а - диаграмма железо-цементит, б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,2% углерода

а) б)

Рисунок 7: а - диаграмма железо-цементит, б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,6% углерода.

Практическая работа 2. Термическая обработка стали

Цель работы: изучить процессы, происходящие при различных операциях термической обработки углеродистых и малолегированных сталей.

Методика выполнения работы и запись основных результатов:

1. Для указанных сплавов назначить режим термической обработки стали для получения оптимальных механических свойств, исходя из её назначения:

- определить по марке стали её назначение;

- выбрать схему термообработки стали;

- определить температурные режимы обработки;

- описать изменение структуры стали в процессе термической обработки (за исходное состояние взять отожженный металл).

№	Марка стали
1	60С2
2	9ХС
3	60C2H2
4	50ХН
5	У12А

2. В разделе "Результаты" отчета по практической работе необходимо привести графическое представление схемы термообработки указанной в соответствии с номером варианта мари стали и подробное описание по каждому подпункту п.1.

Примечание: Теоретические предпосылки выполнения данной работы представлены в виде видеоматериала по ссылке:

50ХН - Сталь конструкционная легированная

- определить по марке стали её назначение;

Для деталей, работающих на средних скоростях при средних давлениях (зубчатые колеса, шпиндели и валы в подшипниках качения, червячные валы) для деталей больших размеров.

- выбрать схему термообработки стали;

- определить температурные режимы обработки;

Закалка с 820 оС в масле; отпуск 500-600 оС, охл в воде.

Нагрев до 350 - 500 °С и медленное охлаждение в печи. Снимаются внутренние напряжения, твердость снижается.

Структура - троостит отпуска. Этот отпуск обеспечивает высокий предел упругости и применяется после закалки рессор и пружин.

Практическая работа 3. Маркировка цветных металлов и сплавов

Цель работы: изучить принципы обозначения марок цветных металлов и сплавов на их основе и научиться читать маркировку.

Методика выполнения работы и запись основных результатов:

1. Для указанных сплавов указать (в соответствии с номером варианта):

а) основной металл сплава;

б) назначение и способ обработки сплава;

в) химический состав сплава.

№	Марка сплава	№	Марка сплава
1	АД1	6	Д18
2	БрО10Ц2	7	БрО6Ц6С3
3	Л80	8	ЛС63-2
4	МН19	9	МНЦС16-29-1,8
5	АМг6	10	АК12М2

2. В разделе "Результаты" отчета по практической работе необходимо привести подробное описание по каждому подпункту п.1.

Примечание: Теоретические предпосылки выполнения данной работы представлены в виде видеоматериала по ссылке:

МН19 основной сплав - (мельхиор).

Сплав МН19 применяется: для изготовления полуфабрикатного проката (лент, полос, прутков и труб); как плакировочный материал для медицинских инструментов; деталей точной механики.

Область применения - медицинский инструмент, точная механика.

Например, в сплаве МН19 в центре зерна его содержание может достигать 30 %, а на границе - 10-15 %.

Способ обработки

Температура плавления :	1190 °C
Температура горячей обработки :	900 - 1030 °C
Температура отжига :	600 - 780 °C

Химический состав в % материала МН19

Ni+Co	Fe	C	Si	Mn	S	P	Cu
18 - 20	до 0.5	до 0.05	до 0.15	до 0.3	до 0.01	до 0.01	78.5 - 82
As	Pb	Mg	Zn	Sb	Bi	Примесей
до 0.01	до 0.005	до 0.05	до 0.3	до 0.005	до 0.002	всего 1.5

Практическая работа 4. Построение диаграмм состояния по данным термического анализа

Цель работы: изучить принципы построения диаграмм состояния и научиться определять тип диаграмм сплавов.

Методика выполнения работы и запись основных результатов:

1. На основании полученных данных схематически построить модельную диаграмму состояния двухкомпонентной системы А- В.

2. После построения модельной диаграммы определить: к какому из известных типов сплавов (механические смеси, твердые растворы с ограниченной растворимостью, твердые растворы с неограниченной растворимостью или химические соединения) относится изученная модельная система компонентов А и В.

Таблица 1. - Результаты экспериментов

№ состава	Содержание компонентов, %	Температура фазовых превращений, о С (критические точки - найдены по кривым охлаждения)
	А	В	начало	конец
1	100	-	1400	1400
2	90	10	1350	1000
3	80	20	1300	1000
4	70	30	1200	1000
5	60	40	1100	1000
6	50	50	1000	1000
7	40	60	1050	1000
8	30	70	1120	1000
9	20	80	1150	1000
10	10	90	1180	1000
11	-	100	1200	1200

Примечание: Теоретические предпосылки выполнения данной работы представлены в виде текстового материала, представленного в разделе «Самостоятельная работа. Практикум»

Построение диаграммы

Линия ABC диаграммы называется линией ликвидус, выше этой линии любой сплав будет находиться в жидком состоянии. Линия DBE называется линией солидус, ниже этой линии все сплавы будут находиться в твердом состоянии.

Наиболее характерным в диаграмме является сплав, кристаллизующийся в точке B с одновременным выделением кристаллов компонентов А и В они относятся к диаграмме I рода и характеризуют сплавы - механические смеси.

Такая механическая смесь двух или более видов кристаллов, одновременно кристаллизующихся из жидкой фазы, называется эвтектикой. Сплавы находящиеся левее эвтектического, называются доэвтектическими, а правее заэвтектическими.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Соколов. А.Н. Литейные сплавы, применяемые в машиностроении. Ленинград 2015 г.

2. Материаловедение: Учебник/Г.Г.Бондаренко, Т.А.Кабанова, В.В.Рыбалко; Под ред. Г.Г. Бондаренко. - М.: Высш.шк., 2014. - 360

3. Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учеб. для вузов / С.Н.Колесов, И.С.Колесов. - 2-е изд. перераб. и дополн. - М.: Высшая школа, 2013. - 535 с.

Размещено на Allbest.ru