Основы технологии металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Южно-Уральский государственный университет»

(Национальный исследовательский университет)

Институт открытого и дистанционного образования

Кафедра «Техника, технологии и строительство»

Контрольная работа по дисциплине: «Электротехническое и конструкционное материаловедение»

Проверил, преподаватель Константинов Ю.В.

Автор работы: студент группы 313 Лапаев Д.Ю.

Челябинск 2022



Задание 1

Вычертите диаграмму состояния системы (рис. 1) и ответьте на следующие вопросы:

1) к диаграмме какого типа относится данная диаграмма состояния системы;

2) опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях и укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния;

3) опишите строение и основные характеристики кристаллической решетки указанного элемента - меди (тип кристаллической решетки, период, базис, коэффициент компактности, координационное число), указав конкретные числовые значения;

4) опишите характер изменения свойств заданного сплава с помощью правила Курнакова.

Рисунок 1 - Диаграмма состояния медь - бор (Сu - В)

Решение

1) Диаграмма двойных сплавов Сu - В характеризует сплавы, два компонента в твёрдом состоянии образуют химическое соединение по формуле. (IV рода).

2) Отличительным признаком таких диаграмм состояния является наличие максимума у линии ликвидус. Проекция точки максимума на концентрационную ось соответствует составу химического соединения AmBn (рис. 4.12). Так как химическое соединение имеет совершенно отличные свойства от свойств сплавляемых компонентов, то химическое соединение можно рассматривать как самостоятельный компонент. Это упрощает разбор диаграммы состояния, которую можно рассматривать состоящей из двух диаграмм состояния с компонентами А + AmBn и В + AmBn (рис. 2)

Что касается вида диаграммы состояния, то она может быть разной в зависимости от того, как взаимодействуют компоненты А и В между собой и с химическим соединением.

Рисунок 2

При температуре, соответствующей линии CED, происходит распад твердого раствора с одновременным выделением б'- и б»-твердых растворов:

в = б` + б».

Рисунок 3

Превращение протекает аналогично кристаллизации эвтектики, но исходным маточным раствором является не жидкость, а твердый раствор.

Диаграмма состояния сплавов эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (IV рода) представлена на рис.4.

Рис. 4 Диаграмма состояния 4 рода - эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

B-Cu (бор-медь) Равновесными фазами системы Cu-B являются (1) конечный твердый раствор fcc (Cu) с ограниченной максимальной растворимостью B ~ 0,29 ат.%; и (2) конечный твердый раствор, (B), имеющий несколько аллотропных модификаций, с доминирующей при повышенных температурах в-ромбоэдрической формой и стабильной при низких температурах в-тетрагональной и, возможно, а-ромбоэдрической и а-тетрагональной формами. Диапазоны стабильности для этих фаз четко не определены. Максимальная зарегистрированная растворимость Cu в (B) составляет от 3,65 до 4,17 ат.%, с ретроградные характеристики при повышенных температурах. Фазовая диаграмма Cu-B имеет простой эвтектический тип без промежуточных фаз. Высокая температура плавления B и его сильное сродство к кислороду в жидком состоянии создавали трудности при получении сплава и идентификации равновесных фаз в более ранних исследованиях [Hansen]. О возникновении эвтектической реакции между обогащенным Cu концевым твердым раствором и соединением CuB22 сообщалось в работе [54Lih]. Последующие исследования [65Smi], [65Wal] и [70Rex] подтвердили возникновение эвтектики реакция, но было показано, что составляющие фазы являются концевыми растворами Cu с раствором B, а не с CuB22. Был сделан вывод, что CuB22 не возникает как отдельная равновесная фаза.

3) Металлы и их сплавы в твердом состоянии представляют собой кристаллические тела, в которых атомы располагаются относительно друг друга в определенном, геометрически правильном порядке, образуя кристаллическую структуру. Такое закономерное, упорядоченное пространственное размещение атомов называется кристаллической решеткой. Металлы имеют преимущественно три типа ячеек: объёмно-центрированная кубическая решётка (ОЦК), гранецентрированная кубическая решётка (ГЦК), гексагональная плотноупакованная кристаллическая решётка (ГПУ) [1, с. 24].

Медь (Cu) - этот элемент имеет кубическую гранецентрированную решетку (ГЦК), которая содержит 12 атомов: 8 располагаются по узлам ячейки и 6 атомов в центре каждой грани (рис. 3).

Кристаллическую решетку характеризуют следующие параметры:

а) Период решетки. Это расстояние между двумя соседними параллельными кристаллографическими плоскостями в элементарной ячейке решетки. Для большинства металлов лежит в пределах 0,1…0,7 нм.

б) Координационное число (КЧ) показывает количество атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке. Для ГЦК координационное число - 12.

в) Базисом решетки называется количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. Для ГЦК равно 4.

г) Коэффициент компактности (КК) или плотность упаковки решетки з находится как отношение объема, занимаемого атомами, ко всему объему элементарной ячейки решетки. Для ГЦК коэффициент компактности равен 0,74.

Рисунок 5 - Кубическая гранецентрированная решетка (ГЦК)

4) Наблюдая зависимость между твердостью, электропроводностью и типом диаграммы, Курнаков Н.С. установил зависимость между свойствами сплавов и диаграммами состояния (правило Курнакова) рис.4

На рис.4 приведены диаграммы состояния четырех основных типов и соответствующие им закономерности изменений свойств сплавов в зависимости от их состава (два нижних ряда).

Если образуется химическое соединение, то зависимость свойств от состава сплава резко изменяется при переходе через эту точку (рис. 4, г)

Рисунок 6.

Твердость HB, ударная вязкость , электросопротивление с, относительное удлинение д при образовании механической смеси изменяется прямолинейно, при образовании твердых растворов свойства изменяются по плавным кривым, при образовании химсоединения - меняются резко, скачком (рисунок. 7, 8).

Рисунок 7, 8 - Связь между родом диаграммы и свойствами сплавов

Задание 2

Вычертите диаграмму состояния железо-углерод и опишите структурные превращения с заданным содержанием углерода, согласно варианту, при охлаждении его от жидкого состояния до 20°С.

1. Полученный сплав является сталью или чугуном, ответ обоснуйте.

2. Опишите компоненты и фазы системы железо - углерод.

3. Приведите схему структуры полученного сплава при температуре 20°С, при заданном содержании углерода, и назовите его структурные составляющие.

4. Назовите легирующие элементы стали, их обозначения при маркировке и опишите, как они влияют на свойства стали.

5. Приведите классификацию и маркировку углеродистых сталей и чугунов.

Решение

Заданное содержание углерода - 0,8 %.

1) Сплавы железа с углеродом, содержащие 0…0,2% углерода, называются техническим железом, 0,02…2,14% - сталями, 2,14…6,67% углерода - чугунами. В нашем случае, заданное содержание углерода 0,8 %, следовательно, данный сплав является эвтектоидной сталью [3, c.56].

2) Элементы, из которых образован сплав, называют компонентами. В данной системе компоненты: углерод,железо (Fe) и цементит (карбид железа, Fe3C). Основные фазы приведены на рисунке 6: аустенит, цементит, феррит, перлит и ледебурит.

Превращения в системе железо - графит (рис. 9).

Рисунок 9 - Диаграмма состояния Железо-Углерод

Рисунок 10 - Основные фазы и структурные составляющие в сплавах на основе железа в равновесном состоянии

Рисунок 11.

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Аустенит (г-фаза) - высокотемпературная гранецентрированная модификация железа и его сплавов.

В углеродистых сталях аустенит - это твёрдый раствор внедрения, в котором атомы углерода входят внутрь элементарной ячейки г-железа во время конечной термообработки. В сталях, содержащих другие металлы (кроме железа, легированные стали), атомы металлов замещают атомы железа в кристаллической решётке и возникает твёрдый раствор замещения. В чистом железе существует в интервале температур 910-1401 °C; в углеродистых сталях аустенит существует при температурах не ниже 727 °C. В легированных сталях аустенит может существовать и при гораздо более низких температурах.

Цементит - карбид железа, химическое соединение с формулой Fe₃C.

Концентрация углерода в цементите - 6,67% по массе - предельная для железоуглеродистых сплавов. Цементит - метастабильная фаза; образование стабильной фазы - графита во многих случаях затруднено. Цементит имеет орторомбическую кристаллическую решётку, очень твёрд и хрупок, слабомагнитен до 210 °C.

В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки цементит может иметь различную форму - равноосных зёрен, сетки по границам зёрен, пластин, а также видманштеттову структуру.

Цементит в разных количествах, в зависимости от концентрации, присутствует в железоуглеродистых сплавах уже при малых содержаниях углерода. Формируется в процессе кристаллизации из расплава чугуна. В сталях выделяется при охлаждении аустенита или при нагреве мартенсита.

Феррит - фазовая составляющая сплавов железа, представляющая собой твёрдый раствор углерода и легирующих элементов в б-железе (б-феррит). Имеет объёмноцентрированную кубическую кристаллическую решётку.

При температурах выше 1401 °С в железоуглеродистых сплавах образуется твёрдый раствор углерода в д-железе (д-феррит), который можно рассматривать как высокотемпературный феррит.

Перлимт (фр. perlite, от perle -- жемчуг) -- горная порода вулканического происхождения. На кромке потока лавы, в местах первичного соприкосновения магматических расплавов и земной поверхности, в результате быстрого охлаждения (закалки) лавы формируется вулканическое стекло -- обсидиан. В дальнейшем под воздействием подземных вод происходит его гидратация, и, как результат, образование перлита.

Аустенит-одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов,

твёрдый раствор углерода (до 2%)и легирующих элементов в железе. Аустенит немагнитен, плотность его больше, чем других структурных составляющих стали. В углеродистых сталях и чугунах , устойчив выше 723°C. В процессе охлаждения стали Аустенит превращается в другие структурные составляющие. В железоуглеродистых сплавах, содержащих никель, марганец, хром в значительных количествах, А. может полностью сохраниться после охлаждения до комнатной температуры.

Ледебурит-структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, главным образом чугунов, представляющая собой эвтектическую смесь аустенита и цементита в интервале температур 727-1147 °C, или феррита и цементита ниже 727 °C.

3) На рисунке 4 отметим на горизонтальной оси заданное процентное содержание углерода (0,8 %) и проведем вертикальную линию (штрихпунктирная). Сплав с содержанием 0,8 % относится к эвтектоидным сталям.

Твердость перлита HB 180ч220.Сталь, содержащая 0,80% C, имеет чистую перлитную структуру.

Перлит характеризуется небольшой концентрической оболочечной структурой (перлитная структура), в результате чего образуется круглое ядро (Жемчужина), напоминающее жемчужину с характерным блеском.

Структура эвтектоидной стали - перлит.

4) В ГОСТ приняты следующие буквенные обозначения легирующих элементов, входящих в марки стали: хром ( Cr ) -- Х, никель ( Ni ) -- Н, молибден ( Mo ) -- М, титан ( Ti ) -- Т, медь ( Cu ) -- Д, ванадий ( V ) -- Ф, вольфрам ( W ) -- В, азот ( N ) -- А, алюминий ( Аl ) -- Ю, бериллий ( Be ) -- Л, бор ( B ) -- Р, висмут ( Вi ) -- Ви, галлий ( Ga ) -- Гл,иридий ( Ir ) -- И, кадмий ( Cd ) -- Кд, кобальт ( Co ) -- К, кремний ( Si ) -- C, магний ( Mg ) -- Ш, марганец ( Mn ) -- Г, свинец ( Pb ) -- АС, ниобий ( Nb) -- Б, селен ( Se ) -- Е, углерод ( C ) -- У, фосфор ( P ) -- П, цирконий ( Zr ) -- Ц.

Влияние легирующих элементов:

- Молибден увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах.

- Алюминий повышает жаростойкость и окалийность.

- Никель сообщает стали коррозионную стойкость, высокую прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость, повышает сопротивление удару.

- Ниобий улучшает кислотостойкость и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

- Ванадий повышает твердость и прочность, измельчает зерно. Увеличивает плотность стали.

- Вольфрам образует в стали очень твердые соединения - карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость стали. Вольфрам препятствует росту зерен при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске.

- Титан повышает прочность и плотность стали, способствует измельчению зерна, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии.

- Кобальт повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.

- Кремний в количестве свыше 1% оказывает особое влияние на свойства стали: содержание 1-1.5% Si увеличивает прочность, причем вязкость сохраняется. При большем содержании кремния увеличиваются электросопротивление и магнитопроницаемость. Кремний увеличивает также упругость, окалийность.

- Марганец при содержании свыше 1% увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок, не уменьшая пластичности.

- Хром повышает твердость и прочность, незначительно уменьшая пластичность, увеличивает коррозионную стойкость; содержание больших количеств хрома делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил.

- Медь увеличивает антикоррозионные свойства.

- Цирконий позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью.

- Лантан, церий, неодим уменьшают пористость, способствуют уменьшению содержания серы в стали, улучшают качество поверхности, измельчает зерно.

5) Классификация углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируют:

- по структуре;

- по способу получения;

- по степени раскисления;

- по качеству;

- по назначению.

По структуре углеродистые стали подразделяют на:

- доэвтектоидные (содержат менее 0,8% С);

- эвтектоидные (0,8% С);

- заэвтектоидные (С более 0,8%).

По способу получения углеродистые стали разделяют на:

- кислородно-конвертерные;

- мартеновские;

- электростали.

По степени раскисления углеродистые стали бывают:

- спокойные;

- полуспокойные;

- кипящие.

По качеству (качество определяется содержанием вредных примесей в стали) углеродистые стали разделяют на:

- стали обыкновенного качества;

- качественные стали

По назначению углеродистые стали разделяют на:

- конструкционные;

- инструментальные;

- специальные - стали с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др.

Маркировка углеродистых сталей:

1) Углеродистые стали обыкновенного качества

Стали содержат повышенное количество серы и фосфора.

Маркируются Ст.2кп., БСт.3кп, ВСт.3пс, ВСт.4сп.

Ст - индекс данной группы стали. Цифры от 0 до 6 - это условный номер марки стали. С увеличением номера марки возрастает прочность и снижается пластичность стали. По гарантиям при поставке существует три группы сталей: А, Б и В. Для сталей группы А при поставке гарантируются механические свойства, в обозначении индекс группы А не указывается. Для сталей группы Б гарантируется химический состав. Для сталей группы В при поставке гарантируются и механические свойства, и химический состав.

Индексы кп, пс, сп указывают степень раскисленности стали: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная.

2) Качественные углеродистые стали

Качественные стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В). Степень раскисленности, в основном, спокойная.

- Конструкционные качественные углеродистые стали Маркируются двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной. Например: Сталь 08 кп, сталь 10 пс, сталь 45. Содержание углерода, соответственно, 0,08 %, 0,10 %, 0.45 %.

- Инструментальные качественные углеродистые стали маркируются буквой У (углеродистая инструментальная сталь) и числом, указывающим содержание углерода в десятых долях процента. Например: Сталь У8, сталь У13. Содержание углерода, соответственно, 0,8 % и 1,3 %

- Инструментальные высококачественные углеродистые стали. Маркируются аналогично качественным инструментальным углеродистым сталям, только в конце марки ставят букву А, для обозначения высокого качества стали. Например Сталь У10А.

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве. В зависимости от состояния углерода в чугуне, различают:

Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида, и чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, что определяет прочностные свойства сплава, чугуны подразделяют на:

1) серые - пластинчатая или червеобразная форма графита;

2) высокопрочные - шаровидный графит;

3) ковкие - хлопьевидный графит.

Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления дв при растяжении в Мпа*10. Серый чугун обозначают буквами "СЧ" (ГОСТ 1412-85), высокопрочный - "ВЧ" (ГОСТ 7293-85), ковкий - "КЧ" (ГОСТ 1215-85).

СЧ10 - серый чугун с дв при растяжении 100 МПа;

ВЧ70 - высокопрочный чугун с дв при растяжении 700 МПа;

КЧ35 - ковкий чугун с дв при растяжением примерно 350 МПа.

Для работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из антифрикционного чугуна АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ - антифрикционный чугун: С серый, В - высокопрочный, К - ковкий. А цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585-79.

Задача

Опишите физическую сущность процесса возврата первого рода или отдыха.

Решение

При нагреве до сравнительно низких температур (обычно ниже 0,2 - 0,3 Т_пл) происходит процесс возврата, под которым понимают снятие дальнодействующих напряжений и частично искажений кристаллической решетки (близкодействующих напряжений) в результате уменьшения плотности дефектов строения, однако при этом еще не наблюдается заметных изменений структуры, видимой в оптическом микроскопе, по сравнению с деформированным состоянием.

В процессе возврата различают две стадии. При более низких температурах (обычно ниже 0,2 - 0,3 Т_пл) протекает первая стадия возврата - отдых, когда происходит уменьшение точечных дефектов и перераспределение дислокаций без образования новых так называемых субграниц.

Избыточные вакансии и межузельные атомы поглощаются дислокациями при перераспределении последних при нагреве. Кроме того, происходит сток вакансий к границам зерен, что определяет уменьшение их концентрации. Далее вакансии и межузельные атомы при встрече взаимно погашаются. В процессе отдыха частично устраняются и дислокации. Дислокации противоположных знаков притягиваются и аннигилируют.

Задание 4

Опишите процесс нормализация, по следующей схеме:

1) к какому типу обработки относится данный процесс;

2) назначение и классификация процесса, режимы и схемы заданного

Решение

1) Данный процесс относится к термическим типам обработки.

2) Нормализацией стали называется нагрев доэвтектоидной стали на 50 єС выше температуры полной аустенизации (Ас3), а эвтектоидной и заэвтектоидных сталей на 50 єС выше температуры аустенизации (Аст), минимально необходимой выдержке при данной температуре для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении на воздухе. Температура Аст лежит на кривой Ас3 - Е, при этом для легированных заэвтектоидных сталей допускается и несколько более высокий нагрев).

Нормализация призвана менять микроструктуру стали, она выполняет следующее:

· снижает внутренние напряжения;

· посредством перекристаллизации измельчает крупнозернистую структуру сварных швов, отливок или поковок.

Цели нормализации могут быть совершенно разные. С помощью такого процесса твердость стали можно повысить или снизить, это же касается прочности материала и его ударной вязкости. Все зависит от механических и термических характеристик стали. С помощью данной технологии можно как сократить остаточные напряжения, так и улучшить степень обрабатываемости стали с помощью того или иного метода.

Нормализация вместе с отпуском нужна для замены закалки изделий сложной формы или же с резкими перепадами по сечению. Она позволит не допустить дефектов.

Еще эта технология применяется, чтобы улучшить структуру изделия перед закалкой, повысить его обрабатываемость посредством резки, устранить в заэвтектоидной стали сетку вторичного цемента, а также подготовить сталь к завершающей термической обработке.

Чтобы упростить определение процесса нормализации стали и облегчить нахождение оптимальных температур нагрева при проведении этого процесса рассмотрим сначала фазовое состояние сплавов системы железо - углерод, а именно область относящуюся к сталям. Химический состав и температура позволяют определить равновесный фазовый состав и структуру для стали любой из известных марок .

При нормализации сталь нагревают до температуры на 30 - 50° С выше линии GSE и охлаждают на воздухе. Ускоренное по сравнению с обычным отжигом охлаждение обусловливает несколько большее переохлаждение аустенита, поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (сорбит). Кроме того, при нормализации частично подавляется выделение избыточных фаз (феррита в доэвтектоидной стали и цементита в заэвтектоидной стали) и, следовательно, образуется квазиэвтектоид. В результате прочность стали после нормализации становится больше прочности после отжига.

Нормализацию применяют чаще всего в следующих случаях: как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием; для устранения пороков и общего улучшения структуры стали перед закалкой.

Таким образом, назначение нормализации как промежуточной операции аналогично назначению отжига. Но так как нормализация выгоднее отжига, то ее всегда следует предпочесть отжигу, если оба эти вида обработки дают одинаковые результаты.

Но нормализация как операция смягчения стали не всегда может заменить отжиг. Так как склонность аустенита к переохлаждению растет с увеличением содержания в нем углерода и легирующих элементов, то разница в свойствах после отжига и после нормализации будет существенно зависеть от состава стали, поэтому нормализацию широко применяют вместо смягчающего отжига для малоуглеродистых сталей, в которых аустенит слабо переохлаждается, но она не может применяться для смягчения высокоуглеродистых сталей, которые весьма ощутимо упрочняются при охлаждении на воздухе из-за значительного переохлаждения аустенита.

В заэвтектоидных сталях нормализация позволяет устранить грубую сетку вторичного цементита за счет того, что растворившийся при нагреве выше Асm цементит при последующем ускоренном охлаждении в процессе нормализации стали не успевает вновь образовать грубую сетку цементита. Это заметно улучшает свойства стали.

Режимы нормализации стали

Этот вид термообработки подразумевает:

· нагрев до температур аустенитного состояния, которые несколько ниже температуры закалки;

· непродолжительную выдержку при этой температуре;

· охлаждение на воздухе.

· Нормализацию используют и как окончательную термическую обработку средне- и высокоуглеродистых доэвтектоидных сталей, если требования к свойствам этих сталей умеренные и для них не обязательна закалка с высоким отпуском.

Для нормализации металла используют специальные печи для отжига и закалки. Иногда применяют установки с газовым нагревом. Такие системы имеют следующую комплектацию:

· герметичная камера, в которой находятся заготовки;

· нагревательные элементы (горелки) прямого или косвенного нагрева, предназначенные для повышения температуры в установке;

· запорно-регулирующие устройства;

· модули управления мощностью - импульсные, пропорциональные или комбинированные;

· термоизоляционная защита.

Нагревательная система в агрегатах с косвенным методом нагрева может быть устроена по разным принципам. В газовых печах нагрев чаще всего реализуют через воздушное пространство, при этом горелку помещают в центре камеры.

При нормализации деталь подвергается нагреванию до определенной температуры, некоторое время оставляют в ней и затем охлаждают. Какие показатели будут использоваться для нагрева, зависит от марки стали..

Значимую роль в нормализации металла играет его правильное охлаждение. При этом интенсивность играет немаловажное значение. Быстрое охлаждение приводит к увеличению прочности и твердости металла, тогда как при медленном, он теряет эти характеристики.

Чем меньше размер сечения, тем меньше время охлаждения и тем выше прочностные характеристики.

Правильно проведенная нормализация металла изменяет микроструктуру стальных сплавов.

Время выдержки зависит от толщины детали. Так было установлено, что для получения однородной структуры пластины в 25 мм потребуется 1 час.

Задание 5

Опишите заданный тип стали и область её применения, с обязательным приведением примеров таких сталей (2 - 3 примера), указывая химический состав сплавов и физико-механические характеристики (желательно использовать марочники сталей и сплавов), согласно варианту.

Жаропрочные стали

Решение

Жаропромчная сталь -- это вид стали, который используется в условиях высоких температур (от 0,3 части от температуры плавления) в течение определённого времени, а также в условиях сложнонапряжённого состояния.

Главной характеристикой, определяющей работоспособность стали, является жаропрочность.

Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах. Основными критериями жаропрочности металлов является предел ползучести и предел длительной прочности.

Различают следующие виды жаропрочных конструкционных сталей.

1. Перлитные стали. Стали перлитного класса используют для изготовления крепежа, труб, паропроводов, пароперегревателей и коллекторов энергетических установок, длительно работающих при температурах 500 - 550є С. Перлитные стали содержат относительно малые количества углерода и обычно легированы хромом, молибденом и ванадием (марки 12ХМ, 12Х1МФ). Стали этого класса используют в закаленном или нормализованном и высокоотпущенном состоянии.

2. Мартенситные стали. Стали мартенситного класса используют для изготовления деталей энергетического оборудования (лопатки, диафрагмы, турбинные диски, роторы), работающих при температурах 600 - 620є С. Стали более значительно легированы хромом, а также вольфрамом, молибденом, ванадием (марки 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ). Высокая жаропрочность этих сталей достигается при закалке от 1000 - 1050° С в масле на мартенсит с последующим отпуском на сорбит или троостит. Клапаны выхлопа двигателей внутреннего сгорания небольшой и средней мощности изготовляют из сильхромов - хромокремнистых сталей мартенситного класса типа 40Х9С2, 40Х10С2М. Клапаны мощных двигателей изготовляют из аустенитных сталей.

3. Аустенитные стали. Из этих сталей изготовляют роторы, диски, лопатки газовых турбин, клапаны дизельных двигателей, работающие при температурах 600 - 700° С. Хромоникелевые аустенитные стали для увеличения жаропрочности дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, ванадием, ниобием, бором и другими элементами. К жаропрочным сталям аустенитного класса относятся стали 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М.

Термообработка этих сталей состоит из закалки и старения при температурах выше эксплуатационных. При старении происходит выделение из аустенита мелкодисперсных избыточных фаз, что дополнительно увеличивает сопротивление стали ползучести. В табл. 1 приведены основные свойства некоторых российских жаропрочных сталей. Более высокие рабочие температуры (до 1000 - 1100 °С и более) выдерживают так называемые суперсплавы, выплавленные на основе элементов VIII группы периодической системы - никелевые, кобальтовые, железоникелевые сплавы. Их применяют при изготовлении газотурбинных двигателей для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Для работы при еще более высоких температурах применяют тугоплавкие металлы и керамические материалы.

Сплав ХН77ТЮР (ЭИ437Б и ЭИ437БУВД)

Химический состав по ГОСТ 5632-72, ТУ 14-1-402-72, % (по массе):

· сплава ЭИ437Б - 19-22 Cr; 2,4-2,8 Ti; 0,6-1,0 Al; <= 4,0 Fe; <= 0,4 Mn; <= 0,6 Si; <= 0,07 С; <= 0,01 В; <= 0,02 Се; <= 0,007S; <= 0,015 P; остальное никель;

· сплава ЭИ437БУ - 19-22 Cr; 2,5-2,9 Ti; 0,6-1,0 Al; <= 0,4 Mn; <= 0,6 Si; <= 0,07 C;<= 0,01 B; <= 0,02Ce; <= 0,007 S; <= 0,015P; остальное никель.

Механические свойства стали ХН77ТЮР (стар. ЭИ437Б)

Состояние поставки, режим термообработки	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д5 (%)	ш %	KCU (Дж / см2)
Пруток. Закалка 1080 °С, 8 ч, воздух.	315	730	43	52	265
Пруток. Закалка 1080 °С, 8 ч, воздух. Старение 700 °С, 16 ч.	730	1080	32	42	137
Лист. Закалка 1080 °С, 3 мин, воздух.	350	730-780	50	-	-
Лист. Закалка 1080 °С, 3 мин, воздух. Старение 750 єС, 5 ч.	-	1080	30	-	118
Закалка 1080 °С, 8 ч, воздух. Старение 700 °С, 16 ч, воздух.	640	980	д=20	21	49

Механические свойства стали ХН77ТЮР (стар. ЭИ437Б) при повышенных температурах

Температура испытаний, °С	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д5 (%)	ш %	KCU (кДж / м2)
Закалка 1080 °С, воздух. Закалка 750 °С, 16 ч
20 500 600 700 800	650 570 540 520 460	900-1070 880 860 820 520	11-24 22-29 30-33 25-29 15-16	10-21 19-27 30-32 27-32 25-30	29-49 49-69 49-59 49 88
Образец диаметром 5 мм, длиной 25 мм, кованый и нормализованный. Скорость деформирования 1,1 мм/мин. Скорость деформации 0,0007 с-1
800 900 1000 1100 1200	- - - - -	600 380 110 48 34	24 26 80 153 134	23 28 95 100 100	- - - - -



Механические свойства стали ХН77ТЮР (стар. ЭИ437Б) при 20 єС в зависимости от тепловой выдержки

Время, ч	Температура, °С	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д5 (%)	ш %	KCU (Дж / см2)	НВ
Закалка 1080 °С, 8 ч, воздух. Старение 750 єС, 16 ч, воздух
Без выдержки 1000 5000 1000 5000 1000 5000 5000	Без выдержки 600 600 650 650 700 700 750	650 750 770 750 760 730 670 490	900-1070 900 900 1060 1140 1080 1180 1000	11-24 6-7 3-4 13-17 17-21 15-24 20-23 28-30	10-21 5-10 5-7 12-19 19-21 14-23 19-25 32-34	27-45 12-14 15 12-15 30-34 24-38 40-51 72-77	269-285 295-302 295-313 285 302 285-295 285-302 263-269

Механические свойства стали ХН77ТЮР (стар. ЭИ437Б) в зависимости от тепловой выдержки и температуры испытания

Время, ч	Температура, °С	Температура испытания, °С	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д5 (%)	ш %	KCU (Дж / см2)
Закалка 1080 °С, 8 ч, воздух. Старение 750 єС, 16 ч, воздух
1000 5000	600	600	670 670	930 870	23-25 11-12	21-28 12-16	26-69 -
1000 5000	650	650	660 650	960 930	21-23 12-18	21-25 14-19	35-38 54-56
1000 5000	700	700	610 520-590	800 700-810	18 15-23	21 14-30	98 69
5000	750	750	420	500	9-11	12-14	83



Механические свойства стали ХН77ТЮР ( стар. ЭИ437Б ) при испытаниях на длительную прочность

Температура испытания, °С	Предел ползучести, МПа	Скорость ползучести %/ч	Предел длительной прочности, МПа, не менее	Длительность испытания, ч
650	333 451	1/10000 1/1000
750	196	1/1000
800	147	1/1000
600 700			441 176-196	10000
600 700			549 304	1000

Предел выносливости стали ХН77ТЮР (стар. ЭИ437Б)

у-1, МПа	n
363	107

Механические свойства стали ХН77ТЮР ( стар. ЭИ437Б ) при Т=20oС

Прокат	Размер	Напр.	ув(МПа)	sT (МПа)	д5 (%)	ш %	KCU (кДж / м2)
Лист	до 3.9		930		20

Физические свойства стали ХН77ТЮР ( стар. ЭИ437Б )

T (Град)	E 10- 5 (МПа)	a 10 6 (1/Град)	l (Вт/(м·град))	r (кг/м3)	C (Дж/(кг·град))	R 10 9 (Ом·м)
20	1.96		12.6	8200
100		12.67	13.9	8180		1247
200		12.9	15.6	8140		1262
300		13.3	17.2	8110		1282
400		13.8	18.8	8070		1300
500		14.2	20.9	8040		1308
600	1.57	14.6	23.5	8000		1288
700	1.47	15.1	25.1	7960		1272
800	1.28	15.5	28.2	7920		1253
900		16.2	31.1	7870		1232
1000		16.8

Сплав ХН70ВМТЮ (ЭИ617)

Химический состав по ГОСТ 5632-72, % (по массе): 13-16 Cr; 2-4 Мо; 5-7 W; 0,1-0,5 V; 1,8-2,3 Ti; 1,7-2,3 Al; <= 5 Fe; <= 0,5Mn; <= 0,6 Si; <= 0,12 С; <= 0,02 В; <= 0,02 Се; <= 0,015 S; <= 0,015 P>; остальное никель.

Механические свойства при Т=20^oС материала ХН70ВМТЮ

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Пруток, Т=800 °С, ГОСТ 23705-79			670-690		3-7	8-10		Закалка и старение
Твердость ХН70ВМТЮ после закалки и старения, Пруток ГОСТ 23705-79	HB 10 -1 = 299 - 341 МПа

Физические свойства

Плотность: 8400 кг/м3
Температура, °С	20-100	20-200	20-300	20-400	20-500	20-600	20-700	20-800	20-900	20-1000
б·106 1/град	12,0	12,3	12,6	12,9	13,1	13,3	13,6	14,0	14,8	15,8
Коэффициент термического линейного расширения
Температура,°С	100-200	200-300	300-400	400-500	500-600	600-700	700-800	800-900	900-1000
б·106 1/град	12,6	13,2	13,6	14,0	14,1	16,0	16,6	21,3	24,4
Коэффициент теплопроводности
Температура,°С	100	200	300	400	500	600	700	800	900
л вт/м·град	9,64	11,3	13,0	15,1	17,2	19,3	21,8	24,3	27,2
Удельная теплоемкость
Температура,°С	100	200	300	400	500	600	700	800	900
с кДж/кг·град	0,377	0,403	0,440	0,482	0,503	0,545	0,587	0,608	0,629
Магнитные свойства
Сплав немагнитен.
Жаростойкость* (окалиностойкость)
Состояние материала	Температура испытания, °С	Потери массы, г/м2·час
Термически обработанные по режиму: 1-я закалка с 1190±10°С (2 часа) на воздухе, 2-я закалка с 1050±10°С (4 часа) на воздухе, старение при 800±10°С (16 часов)	900	0,085
	1000	0,58
* Испытания в воздушной среде.

СплавХН70Ю

Химический состав по ГОСТ 5632-72, % (по массе): 26-29 Cr; 2,8-3,5 Al; <= 0,З Mn; <= 0,8 Si; <= 0,12 С; <= 0,1 Ва; <= 0,03 Се; <= 0,012 S; <= 0,015 Р; остальное никель.

Механические свойства при Т=20^oС материала ХН70Ю

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Лист, ГОСТ 24982-81	до 3.9		980		30			Закалка 1100 - 1150oC,Охлаждение вода,

Физические свойства материала ХН70Ю

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20	1.91		11.7	7900
100	1.82	13.14	12.6
200	1.73	13.86	13.9
300	1.66	14.76	13.55
400	1.56	15.68	17.25
500	1.47	16.39	18.9
600	1.37	17.81	18.9
700	1.18	22.42	23.1
800		25.47	24.8
900		21.34	26.9
1000		21.21
T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9

Задача

Расшифруйте следующие обозначения сталей, с указанием типа стали, химического состава сплава, механических свойств и рекомендуемые типы термических обработок, согласно варианту:

6.6 06ХН28МДТ

Коррозионно-стойкий сплав 06ХН28МДТ: 06 - содержание углерода не более 0,06 %, «Н28» - наличие в сплаве никеля в концентрации 26-29%, буквы «Х», «М» и «Д» указывают на наличие в сплаве хрома, молибдена и меди соответственно, буква «Т» в конце марки означает, что в сплаве содержится не более 1% титана.

Сплав 06ХН28МДТ применяется для сварных конструкций, работающих при температурах до 80°С в серной кислоте различных концентраций в кислых и сернокислых средах.

Изделия из сплава 06ХН28МДТ для достижения максимальной коррозионной стойкости следует подвергать закалке по режиму: нагрев до 1050 - 1080 °С, выдержка при толщине стенки до 15 мм - 30 мин, свыше 15 мм - 30 мин + 1 мин на 1 мм максимальной толщины, охлаждение - в воде или на воздухе.

Отжиг изделий из сплава 06ХН28МДТ не подвергавшихся сварке, для снятия напряжений следует проводить при 950 ± 10 °С в течение 2 ч, охлаждать на воздухе.

Отжиг сварных изделий из сплавов 06ХН28МДТ для снятия напряжений следует проводить при 1050 ± 10 °С, выдерживать в течение 2 ч, охлаждать на воздухе. гранецентрированный сплав железо

Нормированные механические свойства при 20 °С

ГОСТ	Вид продукции	ув, Н/ммІ	у0,2, Н/ммІ	д5, %
		не менее
ГОСТ 5949-75	Пруток	по согласованию
ГОСТ 7350-77	Лист горячекатаный	550	220	35
ГОСТ 5582-75	Лист холоднокатаный	550	-	35
ГОСТ 4986-78	Лента	560	-	25
ГОСТ 9940-81	Труба горячедеформированная	490	-	30
ГОСТ 9941-81	Труба холоднодеформированная	490	-	-

Механические свойства при низких и повышенных температурах (лист 12,0 мм, закалка с 1050 °С)

tисп, °С	ув, Н/ммІ	у0,2, Н/ммІ	д5, %	ш, %	KCU, Дж/см2
-196	-	-	-	-	200
20	620	270	55	78	350
200	550	270	45	75	350
400	550	180	50	60	350
600	500	150	45	60	350

Механические свойства при высоких температурах (лист 16,0 мм, закалка с 1050 °С в воде)

tисп, °С	ув, Н/ммІ	у0,2, Н/ммІ	д, %	ш, %	KCU, Дж/см2	n, об	Мкр, Н · м
800	250	180	40	45	110	3	180
900	180	150	30	40	120	6	130
1000	100	90	25	40	100	22	70
1100	50	-	35	40	100	24	100
1200	-	-	-	-	-	22	40

Механические свойства при 20 °С в зависимости от степени холодной пластической деформации

Степень обжатия, %	ув, Н/ммІ	ут, Н/ммІ	д, %	ш, %	Степень обжатия, %	ув, Н/ммІ	ут, Н/ммІ	д, %	ш, %
0	590	240	- 24	60	40	980	970	10	44
10	750	700	19	44	60	1050	1020	5	-
20	800	770	12	45	80	1200	-	5	-



Библиографический список

1. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: учебник. /Г.П. Фетисов, Ф.А. Гарифуллин. - 2-е изд., испр. - М.: Изд-во «Оникс», 2008 - 624 с.: ил.

2. Солнцев, Ю.П. Материаловедение: учебник. / Ю.П. Солнцев, С.А. Волотжанина. - 2-е изд., стер. - М.: Академия, 2008. - 496 с: ил. - (Среднее проф. образование)

3. Сорокин, В.Г. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru