Прокат из легированной конструкционной стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«АНГАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Управление на автомобильном транспорте»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Материаловедение»

Вариант №30

Выполнил: студент гр. ТТПз-18-1

Зайцев Игорь Владимирович

Проверил:

ст. преподаватель

Никанорова Л.В.

Ангарск, 2019 г.

Содержание

1. Опишите явление полиморфизма в приложении к цирконию. Начертите элементарные кристаллические ячейки, укажите их параметры и координационное число

2. В чем сущность явления наклепа, и какое он имеет практическое использование?

3. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,1 % С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре, и как такой сплав называется?

4. Шестерни из стали 45 закалены: первая - от температуры 740°С, а вторая - от 820°С. Используя диаграмму состояния железо-цементит, нанесите выбранные температуры нагрева и объясните, какая из этих шестерен имеет более высокую твердость и лучшие эксплуатационные свойства и почему

5. Классифицируйте сплавы и укажите их полный химический состав

Список литературы

цирконий полиморфизм наклеп сплав



1. Опишите явление полиморфизма в приложении к цирконию. Начертите элементарные кристаллические ячейки, укажите их параметры и координационное число

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или, как называют, в разных полиморфных модификациях. В результате полиморфного превращения этомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначатьб, а при белее высокой -в, затем г и т.д.

При полиморфном превращении кристаллы (зерна) новой полиморфной формы растут в результате неупорядоченных, взаимно связанных переходов атомов через границу фаз. Отрываясь от решетки исходной фазы (например, в), атомы по одиночке или группами присоединяются к решетке новой фазы (б), и, как следствие этого, граница зерна б-модификации передвигается в сторону зерна в-модификации, «поедая» исходную фазу. Зародыши новой модификации наиболее часто возникают на границах зерен исходных кристаллитов. Вновь образующиеся кристаллы закономерно ориентированы по отношению к кристаллам исходной модификации.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

Цирконий существует в двух кристаллических модификациях: б-формы с гексагональной плотноупакованной решёткой (ГПУ) (а = 3,228; с = 5,120) и в-формы с кубической объёмно-центрированной решёткой (ОЦК) (а = 3,61). Переход б в в происходит при 862°C.

Под координационным числом (К) понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома.

ГПУ решетка (К = 12) ОЦК решетка (К = 8)

2. В чем сущностьявления наклепа и какое он имеет практическое использование

Наклеп - изменение структуры и свойств металлического материала, вызванное пластической деформацией.

Наклеп снижает пластичность и ударную вязкость, но увеличивает предел пропорциональности, предел текучести и твердость. Наклеп снижает сопротивление материала деформации противоположного знака. При поверхностном наклепе изменяется остаточное напряженное состояние в материале и повышается его усталостная прочность. Наклеп возникает при обработке металлов давлением (прокатка, волочение, ковка, штамповка), резанием, при обкатке роликами, при специальной обработке дробью.

Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение отдельных новых дислокаций, а следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом между ними взаимодействие тормозит дальнейшее их перемещение.

Рисунок 1- Влияние плотности дислокаций на прочность

Повышение долговечности деталей машин методом поверхностного пластического деформирования (ППД) или поверхностного наклепа широко используется в промышленности для повышения сопротивляемости малоцикловой и многоцикловой усталости деталей машин.

На рисунке 2 приведены схемы различных ППД.



а - дробеструйная упрочняющая обработка; б - чистовая обработка - обкатываем шаром; в - обработка дорнованием; г - центробежно-шариковая чистовая обработка; д - обработка чеканкой; е - упрочнение взрывом; ж - упрочнение виброобкатыванием; з - алмазное выглаживание

Рисунок 2 - Схемы поверхностной пластической деформации

Поверхностное упрочнение достигается:

1) дробеструйным наклепом за счет кинетической энергии потока чугунной или стальной дроби; поток дроби на обрабатываемую поверхность направляется или скоростным потоком воздуха, или роторным дробеметом (рис. 2, а);

2) центробежно-шариковым наклепом за счет кинетической энергии стальных шариков (роликов), расположенных на периферии вращающегося диска; при вращении диска под действием центробежной силы шарики отбрасываются к периферии обода, взаимодействуют с обрабатываемой поверхностью и отбрасываются в глубь гнезда;

3) накатываем стальным шариком или роликом (60 HRC) (рис. 2, б); передача нагрузки на ролик может быть с жестким и упругим контактом между инструментом и обрабатываемой поверхностью;

4) алмазным выглаживанием оправкой с впаенным в рабочей части алмазом (рис. 2, з); оно позволяет получать блестящую поверхность с малой шероховатостью.

3. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,1% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

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 кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в б-железе (д-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием б (д)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в г-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. 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.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении г-железа в б-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% - структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727єС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные - перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

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).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

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 1,1 % С, называется заэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре - цементит (вторичный) + перлит.

а) б)

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

4. Шестерни из стали 45 закалены: первая - от температуры 740 С, а вторая - от 820 °С. Используя диаграмму состояния железо-цементит, нанесите выбранные температуры нагрева и объясните, какая из этих шестерен имеет более высокую твердость и лучшие эксплуатационные свойства и почему

Температура точки Ас3 для стали 45 -углерод 0,44 (сталь содержанием от 0,025 до 0,8% углерода, называют доэвтектоидными рис.4) составляет 755°С, а Ас1 равна 730°С. Структура доэвтектоидной стали при нагреве её до критической точки Ас1 состоит из зерен перлита и феррита. В точке Ас1 происходит превращение перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от точки Ас1 до Ас3 избыточный феррит растворяется в аустените и при достижении Ас3 (линия GS) превращения заканчиваются.

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше Ас1, но ниже Ас3 (неполная закалка), то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры, например, 740°С (ниже точки Ас3) структура стали 45 - аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали - мартенсит + феррит.

Аустенит неоднороден по химическому составу. В тех местах, где были пластинки цементита, аустенит богаче углеродом, а где пластинки феррита - беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава зерен аустенита сталь нагревают немного выше критической точки Ас3 (на 30-50°С) и выдерживают некоторое время при этой температуре. Процесс аустенизации идет тем быстрее, чем выше превышение фактической температуры нагрева под закалку относительно температуры Ас3.

а	б	в
Феррит + перлит - a + (a+Fe3C) - 0,2-0,3% С	Перлит + феррит - (a+Fe3C)+ a - 0,4-0,5 % С	Перлит + феррит - (a+Fe3C) + a 0,5-0,7% С

Рис.5. Микроструктура доэвтектоидных сталей: а - сталь 20, б - сталь 45, в - сталь 60

Структура этих сталей состоит из феррита (светлый фон) и перлита (темные зерна). Количество перлита увеличивается, а феррита уменьшается пропорционально увеличению содержания углерода (рис.5) в соответствие с диаграммой состояния (рис.1).

Рисунок 4 - Фрагмент диаграммы железо-углерод

Доэвтектоидные стали для полной закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3.

Температура нагрева стали 45 под полную закалку, таким образом, составляет 800-820°С.

Структура стали 45 при температуре нагрева под закалку - аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической - мартенсит.

Если нагреть выше этой температуры мелкие зерна аустенита начинают соединяться между собой и чем выше температура нагрева, тем интенсивнее увеличиваются размеры. Крупнозернистая структура ухудшает механические свойства стали.

Поэтому для получения необходимых эксплуатационных свойств закалку шестерен необходимо проводить от 820°С.

5. Классифицируйте сплавы и укажите их полный химический состав:

35

КЧ55-4

5ХНМ

10Х11Н2В2МФ

ЛЖС58 -1.1

САС

7. 20ХГ2С

1. Материал 35 сталь конструкционная углеродистая

Химический состав в % материала 35

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As
0.32 - 0.4	0.17 - 0.37	0.5 - 0.8	до 0.3	до 0.04	до 0.035	до 0.25	до 0.3	до 0.08



2. Материал КЧ55-4 кованный чугун (графит хлопьевидный)

Химический состав в % материала КЧ55-4

C	Si	Mn	S	P	Cr	-
2.5 - 2.8	1.1 - 1.3	0.3 - 1	до 0.2	до 0.1	до 0.08	C+Si = 3.6 - 3.9

3. Материал 5ХНМ сталь инструментальная штамповая

Химический состав в % материала 5ХНМ

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	Cu
0.5 - 0.6	0.1 - 0.4	0.5 - 0.8	1.4 - 1.8	до 0.03	до 0.03	0.5 - 0.8	0.15 - 0.3	до 0.3

4. Материал 10Х11Н2В2МФ тонколистовой коррозионной -стойкий, жаростойкий и жаропрочный

Химический состав в % материала 10Х11Н2В2МФ

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	W	V
0.09 - 0.13	до 0.6	до 0.6	1.5 - 1.8	до 0.025	до 0.03	10.5 - 12	0.35 - 0.5	1.6 - 2	0.18 - 0.3

5. Материал ЛЖС58-1-1 латунь (медно-цинковый сплав)

Химический состав в % материала ЛЖС58-1-1

Fe	P	Cu	Pb	Zn	Sb	Bi	Примесей
0.7 - 1.3	до 0.02	56 - 58	0.7 - 1.3	38.9 - 42.6	до 0.01	до 0.003	всего 0.5

6. САС - это спеченные алюминиевые порошки (САП) и сплавы (САС).

САП - деформируемые жаропрочные материалы, их получают путем прессования и спекания алюминиевого порошка и окиси алюминия. Из брикетов изготавливают листы, прутки, трубы, профили и другие полуфабрикаты. САП хорошо обрабатываются резанием, свариваются, обладают высокой коррозионной стойкостью и термической стабильностью. По жаропрочности они значительно превосходят другие алюминиевые сплавы при температуре до 300 - 500°С, а максимальная температура кратковременной эксплуатации - 700 - 1000°С.

Высокая жаропрочность САП обеспечивается наличием окисной пленки на поверхности мелкодисперсных (0,1 - 0,01 мкм) частиц алюминиевого порошка. Содержание окиси алюминия в сплавах - от 6 - 9 (САП1) до 18 - 22 % (САП4). С увеличением количества частиц окиси алюминия повышаются предел прочности сплава от 320 до 460 МПа и его жаропрочность.

САП1 хорошо обрабатывается давлением (ковка, штамповка, прессование, прокатка) при 450 - 570°С. Предел прочности САП1 можно значительно увеличивать с 320 до 410 МПа нагартовкой (наклепом). САП2, САП3, САП4 удовлетворительно прессуются, хуже прокатываются и штампуются при высокой температуре.

САП рекомендуется применять для деталей, работающих в условиях сильного коррозионного воздействия (паровоздушная среда при 350°С).

САС - спеченные алюминиевые сплавы, получают брикетированием и деформированием порошков алюминия с порошками кремния, никеля, хрома и т. д. Иногда количественное соотношение порошков соответствует составу стандартных алюминиевых сплавов, и до температуры 200 - 300°С они обладают жаропрочностью. Так, сплавы Д16П, АК4П (П - порошковый) имеют более высокую длительную прочность при нагреве по сравнению с Д16 и АК4.

САС могут обладать особыми физическими свойствами за счет изменения своего состава. САС1 (25 - 30 % кремния, 5 - 7 % никеля, остальное - алюминий) обладает сочетанием низкого коэффициента линейного расширения с малой теплопроводностью. Это позволяет использовать его для выполнения деталей, работающих при 20 - 200°С в паре со стальными. В таком сочетании не возникает значительного термического напряжения при нагреве.

Изделия из САС не имеют технологических дефектов, связанных с литьем (окисные и шлаковые включения, ликвация) и обработкой давлением (анизотропия свойств, плены и др.). Для них не нужен гомогенизирующий отжиг.

7. Материал 20ХГ2С сталь конструкционная низколегированная

Химический состав в % материала 20ХГ2С

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.19 - 0.26	0.40 - 0.70	1.5 - 1.9	до 0.3	до 0.045	до 0.045	0.9 - 1.2	до 0.3



Список литературы

1. Куршнер В.С. Материаловедение. Учебник. - Изд-во ОмГТУ Омск 2008. 232с.

2. Арзамасов. Материаловедение. Учебник для вузов. - Изд-во МГТУ Омск 2008. 648с.

3. ГОСТ 4543-71 Прокат из легированной конструкционной стали

4. ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозинно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные марки

5. ГОСТ 1215-79 Отливки из ковкого чугуна

6. ГОСТ 5781-82 Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций

7. Сайт Марочник стали и сплавов

Размещено на Allbest.ru

...