Технология конструкционных материалов

Материаловедение - наука о материалах, их строении и свойствах. Использование материалов всегда зависело от прочности, надёжности и долговечности выполненных из них деталей.

Конструирование, изготовление, эксплуатация и ремонт машин и приборов связаны с машиностроительными материалами и их использованием. В связи с этим необходимо иметь представление:

?о закономерностях формирования структуры материалов;

?связях структуры и состава материалов с их эксплуатационными характеристиками;

?требованиях, предъявляемых к материалам на всех этапах жизненного цикла продукции;

?возможностях вторичного использования материалов.

Вопросы строения и свойств металлов, сплавов, неметаллических материалов, применяемых в конструкциях и необходимых для их эксплуатации и ремонта, рассматривает материаловедение.

К числу важнейших свойств материалов относятся: механические (прочность, вязкость, твердость и другие); химические (сопротивление воздействию агрессивной среды); физические (электрические, магнитные, тепловые); технологические (жидкотекучесть, штампуемость, свариваемость, обрабатываемость резанием, прокаливаемость и другие).

Условия работы современных изделий машиностроения часто требуют увеличения эксплуатационных характеристик материалов, что во многом определяется крупными достижениями в теории и практике материаловедения. Современное материаловедение обобщает и использует результаты исследований отечественных и зарубежных ученых на основе физики и химии твердого тела, что позволяет разрабатывать новые конструкционные материалы и эффективные технологии их получения и обработки. материал продукция ремонт

Задание № 1.

Начертите диаграмму состояний "железо-углерод", укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы и дайте им определения. Опишите структурные и фазовые превращения при медленном охлаждении сплава с содержанием углерода С = 1,4 %. Охарактеризуйте этот сплав, определите для него при температуре Т=400 °С (по правилу отрезков) состав фаз и их количество (процентное соотношение). По правилу фаз определите число степени свободы в каждой критической точке сплава и постройте кривую охлаждения сплава.

Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в б-железе, магнитен, имеет низкую прочность ув=250 МПа, у0,2=120МПа, НВ 80-100, высокую пластичность (д=50%, ш=80%), зернистое строение.

Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в г-железе, немагнитен, НВ 160 при д=40-50%). Микроструктура аустенита имеет зернистое строение.

Аустенит устойчив при высоких температурах. Медленно охлаждаясь, распадается, образуя эвтектоидную смесь феррита с цементитом - перлит.

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом Fe3C - магнитен, имеет высокую твердость НВ 800, очень низкую пластичность, сложную кристаллическую решетку.

Перлит (П) - эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, которая образуется при распаде медленно охлаждающегося аустенита. Состоит из пластинок или 12 зерен цементита на ферритной основе. Перлитная структура стали получается при 0,8% углерода. Механические свойства определяются формой и дисперсностью частиц цементитной фазы: чем мельче смесь, тем выше механические свойства. Пластинчатый перлит имеет НВ 80-220; ув= 800МПа, д=10%; зернистый перлит - НВ 160-200; ув=650 МПа, д=20%.

Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита (цементита и перлита). Ледебурит - твердая и хрупкая составляющая, НВ 600-700.

В сплаве с содержанием углерода 1,4% в соответствии с диаграммой "железо-углерод" (рис.1) имеются 5 точек, характеризующих фазовые превращения при понижении температуры.

Выше точки 1 сплав находится в жидком состоянии; сплав однофазный, структура - Ж. Точка 1 лежит на линии ACD - ликвидус; начинается процесс кристаллизации. Участок 1-2: из жидкого раствора выделяется аустенит; сплав двухфазный, структура Ж+А.

По закону Гиббса, определим степень свободы для всех критических точек. Правило фаз выражается уравнением

С = К + 2 - Ф,

где С - число степеней свободы, К - число компонентов внешних факторов (температура и давление); Ф - число фаз, находящихся в равновесии при рассматриваемых условиях. При нормальных условиях давление оказывает незначительное влияние на фазовое равновесие сплавов в жидком и твердом состояниях, поэтому рассматривается только один внешний фактор - температура. Тогда уравнение примет вид: С = К + 1 - Ф. Число степеней свободы может быть только целым, не отрицательным, поэтому К - Ф + 1 ? 0. Если число степеней свободы равно нулю (С = 0), это означает, что превращения в рассматриваемой критической точке происходят при постоянной температуре. Процессы протекают в интервале температур, если С = 1 или С = 2.

Участок 1-2: С = 2 + 1 - 1 = 1- наблюдается перегиб на графике охлаждения (рис.2).

Точка 2 лежит на AECF-линии солидус; заканчивается процесс кристаллизации. Участок 2-3: состав однофазный, структура А. Участок 2-3: С=2+1-2= 1- процесс происходит при понижении температуры, наблюдается перегиб на графике охлаждения.

Точка 3: находится на линии AGSE, из аустенита, вследствие уменьшения растворимости углерода, начинают выделяться кристаллы .Участок 3-4:

С=2+1-2=1-

процесс происходит при понижении температуры, наблюдается перегиб на графике охлаждения.

Точка 4 лежит на линии PSK эвтектоидных превращений; из аустенита образуется механическая смесь перлит. Участок 4-4': С=2+1-3=0 - эвтектоидное превращение протекает при постоянной температуре, наблюдается площадка на графике охлаждения.

Участок 4'-5:две фазы, структура П+Ц. При дальнейшем охлаждении структура и фазовый состав сплава не меняется до комнатной температуры.

Сплав такого фазового состава называется заэвтектоидной сталью, содержащий углерода 1,4%.

Применение правила рычага сводится к определению массовой концентрации какой-либо фазы при заданной температуре в двухфазной области диаграммы состояния. Для этого нужно через эту точку провести горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями, ограничивающими область на диаграмме. Чтобы найти массовую концентрацию фазы, нужно разделить длину отрезка коноды, противолежащего данной фазе, на общую длину коноды.

Используя правило отрезков, определим химический состав и количество фаз для сплава системы "железо-цементит" в точке В (С = 1,4 % при температуре 400°С). (рис.3).

Рисунок 3. Состав фаз

П=(ВС/АС)·100%=((6,67-1,4) / (6,67-0,8))·100%=90%

Ц=100-89,7 = 10%.

Задание №2.

В данной расчётно-графической работе была изучена диаграмма "Fe-C" (железо - углерод). В ходе выполнения работы построил диаграмму "Fe-C", описал структурные и фазовые превращения при медленном охлаждении сплава с содержанием углерода 1,4%, при T=400°C. Охарактеризовал сплав, определил для него состав фаз, определил число степеней свободы и построил кривую охлаждения.

Во втором задании для указанного изделия выбрал марку сплава и описал технологию обработки и структуру для получения окончательных свойств.

В следующем задании выбрал режим термической обработки изделия из стали моего варианта для получения свойств. Построил график термической обработки изделия и описал превращения, происходящие в структуре стали.

Библиографический список