Основы металловедения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Назначьте температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска стяжных болтов из стали МСт5, которые должны иметь твердость 207…230НВ. Опишите микроструктуру и свойства

Сталь МСт5-углеродистая конструкционная сталь общего назначения. Приставка М в начале марки указывает на то, что сталь получена мартеновским способом. Химический состав по ГОСТ 380-60: C 0,28-0,37 %; Mn 0,5 %; Si ?0,35 %; Cr ?0,3%. Сталь содержит повышенное количество серы (до 0,05%) и фосфора (до 0,04%).

Сталь для элементов крепления должна иметь высокую твердость поверхности для лучшего противостояния износу и стабильную прочность и пластичность по сечению, чтобы удовлетворять конструктивным требованиям.

МСт5 в исходном (отожженном) состоянии имеет структуру зернистого перлита, низкую твердость (НВ 130-- 140) и хорошо обрабатывается резанием. Для болтов из стали МСт5 с максимальной твердостью для этой стали назначим в качестве термообработки закалку с охлаждением в 10%-ном растворе NaOH в воде и последующий низкий отпуск.

Температура закалки стали МСт5, поскольку это сталь доэвтектоидная, должна быть 760--770 °С, т. е. несколько выше Ас1=7300С для того, чтобы в результате закалки сталь получала мартенситную структуру и сохраняла мелкое зерно. Сталь с исходной структурой феррита и перлита при нагреве приобретает аустенитную структуру. После закалки структура стали -- мартенсит. Продолжительность нагрева должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений. Но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев стали. При закалке в водных растворах паровая рубашка разрушается почти мгновенно и охлаждение происходит более равномерно и в основном протекает на стадии пузырькового кипения. Закалка в водном растворе обеспечит максимальную твердость болтов (порядка 207…230НВ) без появления существенных закалочных напряжений. После закалки сталь будет иметь микроструктуру мартенсит закалки.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят при нагреве до 250 С. При этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,6--1,3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC 58-- 63, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок. Продолжительность отпуска составляет обычно 1--2,5 ч.

2. Копиры должны иметь минимальную деформацию и высокую износоустойчивость при твердости поверхностного слоя 750...1000 HV. Для их изготовления выбрана сталь 38ХМФА. Укажите состав и определите группу сплава по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической и химико-термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали. Опишите микроструктуру и свойства копиров после термической и химико-термической обработки

Сталь 38ХМФА-низколегированная высококачественная доэвтектоидная сталь. По назначению сталь относится к группе конструкционных (машиностроительных) улучшаемых сталей. Химический состав стали по ГОСТ 4543-71: C 0,37-0,40%; V 0,8-1,1%; Мо 0,35-0,45%; Cr 0,8-1,1%; Mn 0,5-0,8%; Ni?0,30%; S<0,3%; Р<0,025%.

Улучшаемыми конструкционными сталями называют стали, используемые после закалки и высокого отпуска (улучшения). Стали содержат 0,3--0,5 % С и их подвергают закалке с 820--880 °С (в зависимости от состава) в масле (крупные детали охлаждают в воде) и высокому отпуску при 500--650 С. После такой обработки структура стали сорбит отпуска. Стали должны иметь высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, а в изделиях, работающих при многократно прилагаемых нагрузках, как например в нашем случае копиров, -- высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Кроме того, улучшаемые стали должны обладать хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хрупкости.

Оптимальное сочетание прочности и пластичности после улучшения достигается, если сечение изделия соответствует критическому диаметру (95 % мартенсита) для данной стали.

Механические свойства стали в первую очередь определяются содержанием в них углерода, от количества которого зависит и закаливаемость стали. Прокаливаемость определяется присутствием легирующих элементов. В условиях полной прокаливаемости механические свойства мало зависят от характера легированности. Исключение составляют никель и молибден, повышающие сопротивление хрупкому разрушению. Однако не следует стремиться к применению сталей с излишне высокой прокаливаемостью, поскольку необходимое для этого высокое содержание хрома, марганца и кремния способствует повышению склонности к хрупкому разрушению.

При выборе стали следует учитывать, что легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита против отпуска, поэтому для получения требуемой прочности и твердости легированные стали при улучшении подвергают отпуску при более высокой температуре. Это позволяет не только более полно снять закалочные напряжения, но и получить в стали лучшее сочетание прочности и вязкости.

Для изделий, требующих высоких значений аи, ар и низкого порога хладноломкости (работающих при низких температурах с высокими скоростями приложения нагрузки и при наличии концентраторов напряжений), следует применять наследственно мелкозернистые спокойные стали, предпочтительно легированные никелем и молибденом.

Хром - сравнительно дешевый элемент и широко используется для легирования стали. В конструкционных сталях он частично растворен в феррите, частично в цементите или образует специальные карбиды. В хромистых сталях в большей степени развивается промежуточное превращение; при закалке с охлаждением в масле сердцевина изделия имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине. Прокаливаемость хромистых сталей невелика. Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым; для мелких деталей -- в масле и для крупных -- в воде.

Легирование стали небольшим количеством V, образующего труднорастворимые в аустените карбиды, измельчает зерно, что понижает порог хладноломкости, повышает работу распространения трещины КСU и уменьшает чувствительность к концентраторам: напряжений. Введение V в сталь 38ХМФА повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость, вследствие лучшего раскисления и измельчения зерна без увеличения прокаливаемости. Эту сталь применяют для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках.

Для подавления обратимой отпускной хрупкости сталь легируют молибденом, что очень важно для крупных изделий, в которых даже при охлаждении в воде от температур отпуска нельзя устранить эту хрупкость. Кроме того, молибден повышает прокаливаемость (особенно в сочетании с никелем), устойчивость стали против отпуска и способствует образованию мелкозернистой стали. Молибден значительно улучшает механические свойства стали после цементации и повышает твердость и прокаливаемость цементованного слоя, так как стали, содержащие молибден, не склонны к внутреннему окислению при взаимодействии с газовым карбюризатором.

Для получения высокой твердости и износоустойчивости поверхностного слоя копиров применим цементацию в твердом карбюризаторе (древесном угле) при температуре 9100С.

Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде -- карбюризаторе. Как правило, цементацию проводят при температурах выше точки Ас3 (930--950 °С), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах.

Назначение цементации и последующей термической обработки -- придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении.

Окончательные свойства цементованные изделия приобретают в результате закалки и низкого отпуска, выполняемых после цементации. Этой обработкой можно исправить структуру, измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающееся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации, получить высокую твердость в цементованном слое и хорошие механические свойства сердцевины; устранить карбидную сетку в цементованном слое, которая может возникнуть при насыщении его углеродом до заэвтектоидиой концентрации.

В большинстве случаев, особенно при обработке наследственно мелкозернистых сталей, применяют закалку выше точки Ас3. Это обеспечивает измельчение зерна и полную закалку цементованного слоя и частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины.

После цементации термическая обработка для стали 38ХМФА состоит из двойной закалки и отпуска. Первую закалку с нагревом до 880--900 °С (выше точки Ас3 сердцевины) назначают для исправления структуры сердцевины. Кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустените растворяется цементитная сетка, которая уже вновь при быстром охлаждении не образуется. Вторую закалку проводят с нагревом 760--780 °С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Недостаток такой термической обработки заключается в сложности технологического процесса, повышенном короблении, возникающем в изделиях сложной формы, и возможности окисления и обезуглероживании. Закалка проводится в масле.

В результате термической обработки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита и изолированных участков остаточного аустенита (не более 15--20 %).

Заключительной операцией термической обработки цементованных деталей во всех случаях является низкий отпуск при 160-- 180 °С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения.

Легирующие элементы, присутствующие в стали, оказывают влияние на структуру цементуемого слоя, механизм его образования и скорость диффузии. В случае цементации сталей, легированных карбидообразующим и элементами, при температуре диффузии возможно образование двухфазного слоя из аустенита и карбидов глобулярной формы. При этом аустенит обедняется углеродом и карбидообразующими элементами (Сr, Mn, Ti) и на поверхности после закалки образуются немартенситные структуры, способствующие снижению твердости и особенно предела выносливости. Суммарная концентрация углерода на поверхности цементированного слоя сталей, легированных карбидообразующими элементами, может достигать 1,5--2,0 % и более. Карбидообразующие элементы (Сr, Mo) увеличивают энергию активации Q, уменьшают коэффициент диффузии углерода в аустените. Никель и кобальт повышают коэффициент диффузии углерода в аустените.

3. Для дисков и роторов турбин используется сталь 15Х12ВНМФ. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки и опишите структуру. Охарактеризуйте механические свойства стали

Сталь 15Х12ВНМФ - относится по назначению к группе жаропрочных сталей. Это мартенситно-ферритная сталь. Из этой стали изготавливают лопатки, крепеж, диафрагмы, турбинные диски и роторы, работающие длительно при 500-5800С. Ее состав: 0,12-0,18%C, 11-13%Cr, 0,5-0,7%Mo, 0,15-0,3%V, 0,7-1,1%W, 0,4-0,8%Ni.

Мартенситно-ферритные стали содержат 10--25 % феррита. Их используют для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок. В состав сложнолегированной стали 15Х12ВНМФ кроме 11--13 % Сr, входят W, V, Mo, Nb, которые повышая температуру рекристаллизации и образуя карбиды типа М23С6, М6С, М2С, МС и фазы Лавеса -- Fe2W(Fe2Мо), улучшают жаропрочность. Наиболее сильно повышает жаропрочность вольфрам и ванадий в сочетании с молибденом. Легирование стали бором, цирконием, церием и азотом дополнительно увеличивает жаропрочность. Рабочие температуры этих сталей могут достигать 500--6000С. Однако количество ферритообразующих элементов должно быть ограничено, в противном случае сталь может стать полуферритной, что снизит ее жаропрочность.

Для получения оптимальной жаропрочности высокохромистые стали закаливают на мартенсит. Температура закалки стали 15Х12ВНМФ -- 1000--10200С, охлаждение в масле. Высокие температуры закалки необходимы для растворения карбидов М23С6 и МС в аустените. Более высокие температуры закалки приводят к образованию в структуре большого количества феррита, снижающего прочность. Структура сталей после отпуска при 650--700°С сорбит и троостит. Длительная прочность у108 для стали 15Х12ВНМФ при 550 °С составляет 200 МПа.

После термообработки сталь 15Х12ВНМФ имеет механические свойства: ув=900МПа, ут=750МПа, д=15%.

4. Кратко изложите основы теории термической обработки алюминиевых сплавов в применении к промышленному сплаву дуралюмин. Укажите состав упрочняющих фаз, образующихся при старении дуралюмина

Дуралюминами называют сплавы Al--Сu--Mg, в которые дополнительно вводят марганец. Типичным дуралюмином является сплав Д1, однако вследствие сравнительно низких механических свойств производство его заметно сокращается; сплав Д1 для листов и профилей заменяется сплавом Д16. Упрочнение дуралюмина при термической обработке достигается в результате образования зон Гинье-Престона сложного состава или метастабильных фаз S' и и'.

Марганец, хотя и не входит в состав упрочняющих фаз, но его присутствие в сплавах полезно. В качестве примесей в дуралюмине имеются железо и кремний. Железо, образуя соединение (Мn, Fe)Al6, кристаллизующееся в виде грубых пластин, понижает прочность и пластичность дуралюмина. Кремний образует фазы Mg2Si и W(А1xMg5Сu6Si0), которые растворяются в алюминии, и при последующем старении упрочняют сплав. Однако упрочнение от Mg2Si и W фаз невелико, поэтому примесь кремния, уменьшая количество основных упрочняющих фаз S и и, способствует снижению прочности.

Растворимость большинства компонентов в алюминии при понижении температуры уменьшается, что позволяет упрочнять сплавы путем закалки и старения.

Закалка алюминиевых сплавов -- заключается в нагреве их до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы, полностью или большей частью растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до комнатной температуры для получения пересыщенного твердого раствора. При нагреве под закалку сплавов, содержащих до 5,6%Сu, избыточная фаза CuAl, полностью растворится и при последующем быстром охлаждении фиксируется только пересыщенный б-твердый раствор, содержащий столько меди, сколько ее находится в сплаве. При содержании более 5,6%Сu в структуре сплавов после закалки будет пересыщенный б-твердый раствор и нерастворенные при нагреве кристаллы соединения СuА12. Время выдержки при температуре закалки, необходимое для растворения интерметаллидных фаз, зависит от структурного состояния сплава, типа печи и толщины изделия. Скорость охлаждения при закалке должна быть выше критической, под которой понимают наименьшую скорость охлаждения, не вызывающую распад твердого раствора. Для закалки сплав Д1 нагревают до 495-5100С, а Д16 до 485--5030С. Нагрев до более высоких температур (превышающих неравновесный солидус), вызывает пережог, т.е. окисление и частичное оплавление металла по границе зерен, что резко снижает прочность и пластичность. При закалке дуралюмина важно обеспечить высокую скорость охлаждения, поэтому охлаждение проводят в холодной воде. Даже незначительный распад твердого раствора в процессе охлаждения с выделением интерметаллидых фаз по границам зерен снижает сопротивление межкристаллитной коррозии. После закалки значительная часть фаз-упрочнителей растворяется, повышая легированность твердого раствора. Структура закаленного дуралюмнна состоит из пересыщенного б-твердого раствора и не растворимых соединений железа (см. рис. 1, в).

Старение закаленных сплавов. После закалки следует старение, когда сплав выдерживают при комнатной температуре несколько суток (естественное старение) или в течение 10--24 ч при повышенной температуре (искусственное старение).

Рисунок 1 Микроструктура дуралюмина Д16, х200:

а -- после литья (б + CuAl2 + S); б -- после гомогенизации; в -- после закалки (б-раствор); г -- после закалки и естественного старения

Дуралюмины после закалки подвергают естественному старению, так как при этом обеспечивается более высокая коррозионная стойкость. Естественное старение наиболее интенсивно протекает в первые сутки после закалки и практически заканчивается в течение 4--5 суток. Понижение температуры тормозит старение, а повышение ее, наоборот, увеличивает скорость процесса, но понижает пластичность и сопротивление коррозия. Однако для листов из сплава Д16 нередко применяют искусственное старение при 185--1950С.

В процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, что сопровождается упрочнением сплава. Распад пересыщенного твердого раствора, в решетке которого атомы меди располагаются статистически равномерно, происходит в несколько стадий в зависимости от температуры и продолжительности старения.

5. Опишите релаксационные процессы полимеров с точки зрения их физического строения

Релаксация - отдых, ослабление или переход из неравновесного состояния в равновесное. Из-за большой длины и сильного межмолекулярного взаимодействия процесс релаксации протекает во времени. Процессы релаксации оказывают значительное влияние на переработку полимера. Механическая релаксация делится на два вида: релаксация напряжения и релаксация деформации. Если полимер быстро растянуть, то в нем возникнет напряжение, которое можно измерить. С течением времени это напряжение падает. Это связано с изменением конформации макромолекул: клубок - струна - клубок. Для линейного полимера, в котором макромолекулы не связаны между собой, напряжение падает до нуля, а для сшитого - останется постоянным. Релаксация -- это физический процесс перехода системы в равновесное состояние, адекватное изменившимся внешним энергетическим условиям. Размерность релаксации -- время. Скорость релаксации и ее интенсивность применительно к полимерам зависят от их химического и физического строения, межмолекулярного взаимодействия, параметров внешнего энергетического поля (температура, механическое напряжение, амплитуда и частота нагружения, напряженность и частота электромагнитного поля, частота и мощность акустического воздействия и др.).

Чем выше температура, тем быстрее напряжение в линейном полимере упадет до нуля. Остаточное напряжение в сшитом полимере тем больше, чем больше сшивок. Релаксация деформации приводит к ползучести или крипу. Это релаксационный процесс нарастания деформации под действием постоянной нагрузки. Ползучесть увеличивает размеры изделий и часто препятствует их эксплуатации.

Для сшитого полимера деформации после растяжения и снятия нагрузки снижается до нуля благодаря сшивкам. Для линейного полимера остается некоторая остаточная деформация еост, которая возникает из-за необратимого перемещения части несвязанных между собой макромолекул. Остаточная деформация для линейных полимеров очень велика, однако и для сшитых полимеров велика для случайно несшитых макромолекул.

Увеличение частоты (то есть времени действия силы) и уменьшение температуры действуют на полимер одинаково. Чем быстрее действует сила, тем большее сопротивление со стороны полимера, тем полимер жестче в момент действия силы. Это связано с тем, что громоздкие макромолекулы и надмолекулярные структуры при быстром деформировании не успевают перестраиваться в направлении действия силы. Такое же снижение подвижности структурных единиц происходит при понижении температуры. Такая эквивалентность действия температуры и времени действия силы называется принципом температурно-временной суперпозиции (суперпозиция наложения).

Если образец из ненаполненного полимерного материала подвергается испытанию на растяжение, то в координатах относительная деформация -- приложенное усилие можно получить графическую зависимость. Приведенный обобщенный пример показывает, что при нагружении пластмасс в них одновременно развивается не один, а, по крайней мере, два вида деформаций -- упругая и пластическая. У жестких полимерных материалов преобладает упругая составляющая (ПММА, ПС, ПК, ЭС, ФФП), у пластмасс с развитой деформативностью -- пластическая (ПЭНП, ПВХ-пластикат, ФП). У большинства промышленных термопластов соотношение усилие-относительная деформация не носит, так сказать, антагонистического характера (ПЭВП, ПП, ПА, ПФА, ПЭТФ, ПВХ-винипласт, АБС, ЛПЭНП).

сталь алюминиевый сплав

Литератур

1. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с., ил.

2. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение: Учебное пособие для высших технических учебных заведений. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1975. - 447 с., ил.

3. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для вузов. - М.: Высшая школа, 1990. - 447 с., ил.

4. http://www.okanit.ru

5. http://studentbank.ru

Размещено на Allbest.ru