Материаловедение и технология металлов

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»

Институт электронного обучения

15.03.01 «Машиностроение»

Индивидуальное домашнее задание№1

Вариант - 22

по дисциплине:

Материаловедение

Томск - 2018

Вопрос №1

Как влияет степень переохлаждения на величину зерна при кристаллизации?

Ответ:

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тп. Разность между температурами Тп и Тк, при которых может протекать процесс кристаллизации, носит название степени переохлаждения:

ДТ=Тп-Тк.

Термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной скоростью , показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 - Кривые охлаждения металлапри кристаллизации ()

При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и процесс кристаллизации протекает при температуре близкой к равновесной Тп. На термической кривой при температуре кристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка в падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает (кривые 2, 3) и процесс кристаллизации протекает при температурах, лежащих значительно ниже равновесной температуры кристаллизации.

Чем больше скорость образования зародышей и меньше скорость роста их, тем меньше размер кристалла (зерна), выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет структура металла.

При небольшой скорости переохлаждения ДТ (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.

Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.

Вопрос №2

Что такое относительное удлинение (д, %)? Как определяется эта характеристика механических свойств металла?

Ответ:

Относительное удлинение д представляет собой отношение приращения длины образца после его разрыва к первоначальной расчетной длине l0 и выражается в процентах:

,

где lк - длина образца после разрыва.

Относительное удлинение характеризует пластичность материала.

Рисунок 2 - Диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали

Пластичность - свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием механических нагрузок. Отсутствие или небольшое значение пластичности называется хрупкостью.

Характеристики пластичности определяют при статических испытаниях. Статическими называют испытания, при которых прилагаемая нагрузка возрастает медленно и плавно. Чаще применяют испытания на растяжение, позволяющие по результатам одного опыта установить нескольких важных механических характеристик металла или сплава. Для испытания на растяжение используют стандартные образцы (ГОСТ 1497-84). Машины для испытания снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения (рисунок 2).

Вопрос №3

Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения при охлаждении для сплава, содержащего 4,0% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре, и как такой сплав называется?

Ответ:

а) б)

Рисунок 3: а - диаграмма железо-цементит, б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 4,0% углерода

До точки 1: в сплаве жидкость;

От точки 1 до точки 2: сплав кристаллизуется, выделяются твердые кристаллы аустенита;

В точке 2: происходит нонвариантное эвтектическое превращение с образованием ледебурита;

От точки 2 до точки 3: из аустенита выделятся цементит, структура сплава аустенит+ цементит+ ледебурит;

В точке 3: происходит нонвариантное эвтектоидное превращение с образованием перлита из аустенита;

От точки 3 до точки 4: сплав принимает структуру перлит+ цементит + ледебурит.

Пояснения:

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических - аустенит + ледебурит, эвтектических - ледебурит и заэвтектических - цементит (первичный) + ледебурит.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147-727єС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727єС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит).

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 - Ф,

где С - число степеней свободы системы;

К - число компонентов, образующих систему;

1 - число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 4,0%С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре перлит + цементит + ледебурит.

Вопрос №4

Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 450 НВ. Укажите, как этот режим называется, опишите сущность превращений. Какая структура получается в данном случае?

Ответ:

Изотермической обработкой, необходимой для получениябейнитной структуры и твердости 450 НВ, является изотермическая закалка. Изотермическая закалка обеспечивает высокую ударную вязкость, резко уменьшает чувствительность к надрезу по сравнению с закаленной на мартенсит и отпущенной сталью. Следовательно, изотермическая закалка позволяет повысить конструктивную прочность стали.

Изотермическая закалка выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительна. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита. Продолжительность выдержки в закалочной среде зависит от устойчивости переохлажденного аустенита при температурах выше Мн и определяется по диаграмме изотермического превращения аустенита для каждой марки стали. В качестве охлаждающих сред при изотермической закалке применяют расплавленные соли (например, 55% KNO и 45% NaNO2) или расплавленные щелочи (20% NaOH и 80% KOH). Добавка 5-10 % воды в расплав щелочей и солей увеличивает скорость охлаждения.

Рисунок 4 - Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8

Нижний бейнит по сравнению с продуктами распада аустенита в перлитной области (перлит, троостит) имеет более высокую твердость и прочность при сохранении высокой пластичности.

Вопрос №5

Что такое нормализация? Используя диаграмму состояния железо-цементит, назначьте температуру нормализации любой доэвтектоидной стали. Опишите превращения, происходящие в сталях при выбранном режиме обработки, получаемую структуру и свойства.

Ответ:

Рисунок 5 - Выбор температур термической обработки

Нормализация - это технологическая операция термообработки, состоящая из нагрева стали выше точки Ас3 на 50-70° С, выдержки и последующего охлаждения на спокойном воздухе. Нормализацию применяют с целью измельчения зерна, уничтожения сетки цементита вторичного в заэвтектоидных сталях (рис.5). Нормализация доэвтектоидных сталей (до 0,35-0,45 % С) применяется вместо отжига. Структура нормализации - сорбит и троостит. Они имеют более высокую дисперсность, а поэтому и твердость, по сравнению с перлитом. Это неравновесные структуры. Нормализация стали с повышенным содержание углерода приводит к повышенной твердости. В этом случае после нормализации производят высокий отпуск для смягчения сталей.

Для среднеуглеродистой стали 40 нормализацию применяют вместо закалки и высокого отпуска (улучшения). Механические свойства при этом понижаются, но уменьшается деформация изделий по сравнению с получаемой при закалке. Критическая точка Ас3 стали 40 равна 790єС. Поэтому температура нагрева в соответствии с определением нормализации составляет 840-860єС. При этой температуре имеем структуру аустенита (100%). При снижении температуры до Аr3 начинают появляться первые зерна феррита. При дальнейшем снижении температуры до Аr1 из аустенита будут образовываться только зерна феррита, а содержание углерода в остающемся аустените будет увеличиваться и при температуре Аr1 достигнет 0,8%. При снижении температуры ниже Аr1 из аустенита будет образовываться перлит.

Сталь 40 после нормализации имеет структуру перлита и феррита. Механические свойства стали 40 после нормализации: уВ = 630 МПа; уТ = 370 МПа; д = 17%; ш = 45%; KCU = 0,7 МДж/м2.

В заэвтектоидной стали У10 нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. Критическая точка Асm стали У10 равна 800єС. Поэтому температура нагрева в соответствии с определением нормализации составляет 850-870єС. При этой температуре имеем структуру аустенита (100%). При снижении температуры до Аrm начинают появляться первые зерна цементита. При дальнейшем снижении температуры до Аr1 из аустенита будут образовываться только зерна цементита, а содержание углерода в остающемся аустените будет уменьшаться и при температуре Аr1 достигнет 0,8%. Ускоренное охлаждение на воздухе способствует тому, что цементит не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства стали. При снижении температуры ниже Аr1 из аустенита будет образовываться перлит.

Сталь У10 после нормализации имеет структуру перлита и цементита. Твердость HB стали У10 после нормализации 2690-3410 МПа.

Вопрос №6

Фрикционные материалы. Химический состав, структура, свойства и области применения

Ответ:

Фрикционные материалы - материалы, применяемые для изготовления деталей, работающих в условиях трения скольжения и имеющие большой коэффициент трения. Фрикционные материалы характеризуются высокой теплостойкостью, низкой способностью к адгезии, высокой теплопроводностью и теплоёмкостью, хорошей устойчивостью против теплового удара, возникающего в результате интенсивного выделения тепла в процессе трения.

По типу материала фрикционные материалы различают:

- металлические (чугуны и стали некоторых марок);

- неметаллические (материалы на асбестовой основе, на основе арамидных волокон; пластмассы на основе каучука или смолы);

- спеченные (порошковые смеси из компонентов с высоким коэффициентом трения и отсутствием схватывания: карбиды, окислы металлов совместно с графитом, асбест баритом, дисульфид молибденом и т.д.).

Фрикционные материалы широко применяются в автомобильной промышленности для изготовления накладок тормозов, колец сцеплений, амортизаторов, фрикционных муфт и т.п.

Вопрос №7

Углеродистые инструментальные стали. Состав, структура, термическая обработка и области применения.

Ответ:

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-74). Инструментальные углеродистые стали выпускают следующих марок: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13. Цифры указывают на содержание углерода в десятых долях процента. Буква Г после цифры означает, что сталь имеет повышенное содержание марганца. Марка инструментальной углеродистой стали высокого качества имеет букву А, например У12А: инструментальная углеродистая сталь высокого качества, содержащая 1,2% С.

Химический состав углеродистых инструментальных сталей стандартизирован по ГОСТ 1435-99 .

Углеродистые стали применяют для изготовления режущих инструментов, работающих в условиях, не вызывающих нагрева рабочей кромки свыше 150-200 °С. Они используются также для штамповых и измерительных инструментов.

Основные достоинства углеродистых сталей - получение высокой твердости в поверхностном слое при сохранении вязкой сердцевины. Это в ряде случаев обеспечивает минимальную поводку инструмента и повышение его механических свойств; низкую твердость в отожженном состоянии НВ 1800-2000 МПа, позволяющую использовать высокопроизводительные методы изготовления инструмента (накатку, насечку); закалку с низких температур (770-820 °С); получение после закалки малых количеств остаточного аустенита, что обеспечивает им повышенное сопротивление пластической деформации; сохранение чистой поверхности при закалке вследствие охлаждения в воде, что упрощает очистку инструментов; низкую стоимость.

Вместе с тем недостатки углеродистых сталей существенно ограничивают область их применения: вследствие низкой теплостойкости - способности сохранять твердость лишь при нагреве до температур, не превышающих 170-200 °С. Меньшая прочность по сравнению с быстрорежущими сталями связана с получением более крупного зерна (8-9 балл) при оптимальных температурах закалки. Склонность к росту зерна при незначительных перегревах при закалке приводит к понижению механических свойств. Ограниченная технологическая закаливаемость требует применения высоких скоростей охлаждения в перлитном интервале, что приводит к неоднородной твердости, особенно у инструментов небольшой толщины, а также к большой поводке и термическим трещинам. Стали нельзя применять для относительно крупных инструментов (диаметром или толщиной больше 30 мм), если они предназначены для работы при повышенных давлениях. Стали склонны к отпуску поверхностных слоев при нагреве во время шлифования и заточки.

Предварительная термическая обработка углеродистых инструментальных сталей. Неполный отжиг (нагрев 690-710 °С) с непрерывным охлаждением и сфероидизацию рекомендуется проводить в шахтных или камерных печах (стали У7, У7А, У8, У8А). Продолжительность выдержки после прогрева всей садки до температуры отжига 3-4 ч.

Изотермический отжиг целесообразен для печей непрерывного действия (конвейерных, толкательных). Продолжительность выдержки после прогрева всей садки до температуры отжига 1-2 ч. Изотермическая выдержка при охлаждении 1-2 ч. Отжиг с полной перекристаллизацией (стали У7, У7А, У8, У8А) проводят при необходимости одновременного измельчения структуры. Сфероидизацию (маятниковый отжиг) применяют для получения структуры зернистого перлита.

Высокий отпуск (650-700 °С) следует использовать для снятия наклепа после холодной пластической деформации (так называемый рекристаллизационный отжиг), а также для снятия внутренних напряжений от обработки резанием, предшествующей закалке, перед повторной закалкой изделий, имеющих пониженную твердость после термообработки. Продолжительность выдержки при высоком отпуске 2-3 ч после прогрева всей садки.

Нормализацию применяют для измельчения зерна перегретой стали и для получения небольших параметров шероховатости поверхности при обработке, резанием в тех случаях, когда сталь в отожженном состоянии имеет твердость меньше НВ 1830 МПа. Продолжительность выдержки при нагреве в печах 20-30 мин после прогрева всей садки; при нагреве в соляных ваннах - равняется расчетной выдержке для нагрева под закалку. Режимы отжига, механические и физические свойства углеродистых инструментальных сталей приведены в таблицах ниже.

Нагрев под закалку углеродистых инструментальных сталей осуществляется как в воздушных печах, так и в соляных ваннах. Для соляных ванн выдержка 20-25 с, для воздушных печей 60-80 с на 1 мм толщины.

Условия охлаждения при закалке определяются сечением инструмента.

Поскольку быстрое охлаждение в воде или водном растворе солей и щелочей нежелательно, инструмент небольшого сечения охлаждают в масле или расплавленных солях при 160- 200 oС. Для уменьшения возможности образования трещин и деформаций при закалке в ряде случаев целесообразно проводить охлаждение сначала в воде с последующим переносом в масло.

Отпуск для сохранения высокой твердости и получения оптимальной прочности и вязкости рекомендуется проводить при 150-160 °С для инструмента толщиной более 5 мм и при 170-180°С для инструмента меньшего сечения. Такой отпуск сохраняет твердость выше HRC 62 без разложения остаточного аустенита. Для деревообрабатывающего инструмента рекомендуется более высокий отпуск: 275-290 °С для HRC 55-58 (стамески) и 400-450°С для HRC 44-48 (пилы).

Отпуск проводят в воздушных печах или в жидкостных ваннах продолжительностью 1 ч с последующим охлаждением на воздухе. Для предотвращения трещинообразования отпуск должен быть осуществлен непосредственно после закалки. После шлифования и заточки для снятия напряжений полезен отпуск при 140-160 °С продолжительностью 30-45 мин,

Список литературы

Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986.

Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990. кристаллизация пластичность сплав железо

Материаловедение / Под. общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.

Коршунова Т.Е. Влияние термической обработки на структуру и свойства углеродистых сплавов. - Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 1995.

Материаловедение и технология металлов / Под ред. Г.П. Фетисова. - М.: Высш. шк., 2002.

Размещено на Allbest.ru