Технология 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 213 Ахмаев Т.Р.

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 серебро - германий (Ag - Ge)

Решение

1) Диаграмма двойных сплавов Ag-Ge характеризует сплавы, состояния сплавов эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (III рода).

2) Диаграмма состояния сплавов эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (III рода) представлена на рис.2.

Рис 2 Диаграмма состояния Ш рода - эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Линия MEN - линия ликвидус, линия МДECN - линя солидус. Точки М и N - температуры плавления компонентов А и В. Точка Д - максимальная растворимость компонентов В в компоненте А. Точка С - максимальная растворимость компонента А в компоненте В. Точка Е - эвтектическая точка. При охлаждении жидкого сплава этой концентрации до температуры t1 происходит одновременная кристаллизация твердых растворов и с образованием эвтектики, состоящей из кристаллов и .

ЖЕ > Д + с

Согласно правилу фаз при температуре t1 до полного затвердевания эвтектического сплава система будет нонвариантной (С = 2 - 3 + 1 = 0).

При медленном охлаждении твердого раствора от температуры t1 до комнатной в связи с уменьшением растворимости из него будут выделяться субмикроскопические кристаллы твердого раствора (вторичные).

Равновесными фазами системы Ge-Ag являются (1) жидкость, L; (2) твердый раствор (Ge), с незначительной растворимостью Ag; и (3) конечный твердый раствор(Ag), с максимальной растворимостью 9,6 ат.% Ge при эвтектической температуре (651 С). Твердая растворимость Ag в (Ge) является ретроградной, с максимумом 0,009 ат.% Ag при температуре около 800 °C. Оцененная фазовая диаграмма, представляющая собой простую эвтектику, основана на экспериментальных данных.Нижний предел состава расплава, необходимого для образования этой фазы, составляет около 15 ат.% Ge, а диапазон его однородности оценивается в 77-80 ат.% Ag. Сообщалось о тетрагональной метастабильной фазе в сплавах с водяным охлаждением, содержащих 79 at.% Ag, но его идентификация остается довольно неопределенной. Кроме того, быстрая закалка перегретых сплавов приводила к увеличению твердой растворимости Ge в (Ag) примерно до 20 ат.% Ge . Состав (Ge) может быть расширен до 5 ат.% Ag в кристаллических пленках, полученных при 450°C, и примерно до 10 ат.% Ag в пленках, кристаллизованных при нагревании аморфных пленок при той же температуре. Исследования образцов с распылительным охлаждением по [77Aga] показали, что в сплаве, содержащем 77,5 ат.% Ag, помимо фазы cph образуются небольшие количества аморфной фазы.

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].

Серебро (Ag) - 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 3 - 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).

В случае образования ограниченных твердых растворов (в) свойства для однофазных твердых растворов изменяются по криволинейной зависимости, а двухфазных - по прямолинейному закону.

По диаграмме состояния можно определить так же и технологические характеристики сплава. Например, твердые растворы имеют низкие литейные характеристики, а двухфазные, особенно эвтектические, хорошие литейные свойства.

Рисунок 4.

Сплавы в состоянии твердых растворов хорошо обрабатываются давлением и трудно резанием. Литейные свойства твердых растворов неудовлетворительные. Наилучшей жидкотекучестью обладают эвтектические сплавы. Наличие эвтектической структуры резко уменьшает пластичность, способность прессоваться, прокатываться, коваться.

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. 5.6).

Рисунок 5, 6 - 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 - 2,5 %.

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 2,5 %, следовательно, данный сплав является доэвтектическим чугуном [3].

2) Равновесными фазами системы Ge-Ag являются жидкость, L; твердый раствор, (Ge), с незначительной растворимостью Ag; и конечный твердый раствор, (Ag), с максимальной растворимостью 9,6 ат.% Ge при эвтектической температуре (651 С). Твердая растворимость Ag в (Ge) является ретроградной, с максимумом 0,009 ат.% Ag при температуре около 800 °C. Оцененная фазовая диаграмма, представляющая собой простую эвтектику, основана на экспериментальных данных. Есть хорошее соответствие между экспериментально определенным ликвидусом и ликвидусом, полученным термодинамической оптимизацией энтальпии смешения данных. Оценили фазовую диаграмму Ag-Ge термодинамически. Метастабильная фаза cph возникает в быстро затвердевших сплавах . Нижний предел состава расплава, необходимого для образования этой фазы, составляет около 15 ат.% Ge, а диапазон его однородности оценивается в 77-80 ат.% Ag. Сообщалось о тетрагональной метастабильной фазе в сплавах с водяным охлаждением, содержащих 79 at.% Ag, но его идентификация остается довольно неопределенной.

Кроме того, быстрая закалка перегретых сплавов приводила к увеличению твердой растворимости Ge в (Ag) примерно до 20 ат.% Ge. Состав (Ge) может быть расширен до 5 ат.% Ag в кристаллических пленках, полученных при 450°C, и примерно до 10 ат.% Ag в пленках, кристаллизованных при нагревании аморфных пленок при той же температуре. Исследования образцов с распылительным охлаждением показали, что в сплаве, содержащем 77,5 ат.% Ag, помимо фазы cph образуются небольшие количества аморфной фазы.

3) Рассмотрим сплав с исходной концентрацией углерода 2,5% при температуре 150°С.

Рисунок 7

Проведем из этой точки графика «2,5% C - 1250°С» горизонтальную прямую. Пересечение этой прямой с линией AE, граничащей с областью аустенита, покажет концентрацию углерода в аустените при данной температуре (~1.5%).

Пересечение этой же горизонтальной прямой с линией AС, граничащей с областью жидкой фазы, покажет концентрацию углерода в жидкой фазе при данной температуре (~3.5%).

Именно таким образом мы можем определить концентрацию углерода в фазах любого сплава при заданной температуре:

· в жидкой фазе и аустените в области AEC;

· в жидкой фазе в области CDF (концентрация углерода в цементите, конечно, постоянна - 6,67%);

· в аустените в области SEFK;

· в феррите в области QPKL;

· в феррите и аустените в области GPS.

Как видим, при концентрации углерода выше 2,14% насыщение охлаждаемого расплава углеродом всегда стремится к 4,3% (по линиям AC и DC) по мере приближения к температуре 1147°С (уровень ECF). Далее происходит превращение жидкости в ледебурит (эвтектику). Естественно, с этим же средним содержанием углерода.

По мере приближения к температуре 727°С (уровень PSK) концентрация углерода в аустените («свободном» и/или входящем в состав ледебурита) стремится к 0,8% (по линиям GS и ES). Далее происходит превращение аустенита в перлит (эвтектоид). Перлит, конечно, имеет среднее содержанием углерода 0,8%. кристаллический медь эвтектический сплав

Рисунок 8

Структура доэвтектического чугуна при комнатной температуре состоит из ледебурита, перлита, цементита вторичного и третичного. Однако, в оптическом микроскопе наблюдаются две структурные составляющие: перлит в виде крупных темных зерен и ледебурит - темные вкрапления перлита на светлой цементитной основе (рис. 9).

Рисунок 9

Микроструктура доэвтектического белого чугуна после полной кристаллизации (Т=1147 °С) имеет структуру: ледебурит-аустенит-цементит вторичный. Вторичный цементит выделяется из аустенита, содержащего при Т = 1147 °С - 2,14 % С, а при Т = 727 °С - 0,8 % С. При полном охлаждении сплава структура состоит из избыточного перлита (бывшего аустенитом), ледебурита превращенного (перлит + цементит) и цементита вторичного.

4) Элементы, специально вводимые в сплав с целью изменения его строения и свойств, называют легирующими, a данный сплав легированным. Для легирования сталей используют значительное число элементов периодической системы.

Наиболее существенное влияние легирующие элементы оказывают на свойства сталей, воздействуя на полиморфизм железа. Температура полиморфных превращений железа зависит от всех растворенных в нем элементов. В их присутствии расширяется область существования g-железа. При введении определенного количества легирующих элементов область g-состояния от комнатной температуры до температуры плавления. Такие сплавы называются аустенитными. Другие элементы (V, Si, Mo и др.) делают феррит устойчивым до температуры плавления. Такие сплавы называют ферритными. При нагреве и охлаждении в них не происходит эвтектоидное превращение.

Легирующие элементы могут находиться в сталях в свободном состоянии, в форме химических соединений с железом или между собой, в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических примесей, в карбидной фазе, а также в виде твердых растворов в железе. Наиболее часто они растворяются в основных фазах сплавов железа с углеродом (в феррите, аустените, цементите) или образуют специальные карбиды.

Карбидообразующие элементы (молибден, ванадий, вольфрам, титан) задерживают выделение карбидов при отпуске и увеличивают конструкционную прочность стали.

Приняты следующие буквенные обозначения легирующих элементов, входящих в марки стали:

А - азот

М - молибден

Ю - алюминийН - никель

Р - борБ - ниобий

Ф - ванадийЕ - селен

В - вольфрамТ - титан

К - кобальтУ - углерод

С - кремнийП - фосфор

Г - марганецХ - хром

Д - медьЦ - цирконий

Влияние легирующих элементов на свойства сталей проявляется, прежде всего, в изменении свойств феррита, дисперсности карбидной фазы, прокаливаемости, размера зерна и т. д. По объему (более 90%) феррит -- основная составляющая конструкционных сталей. Легирующие элементы растворяются в нем, замещая атомы железа в решетке и искажая ее, что приводит к возрастанию прочности и твердости феррита. Увеличению последней наиболее сильно способствует введение кремния, марганца и никеля. Большинство легирующих элементов, однако, снижают вязкость феррита и повышают порог его хладноломкости. Исключением является никель, оказывающий наиболее благоприятное влияние на свойства стали. Хром и никель являются основными легирующими компонентами нержавеющих сталей. Хром и никель являются основными легирующими компонентами нержавеющих сталей (табл. 1.).

Таблица 1. Влияние легирующих элементов на свойства сталей.

Легирующий элемент	Обозначение	Свойства, придаваемые сталям	Примеры марок сталей
Азот (N)	А	Обработка в атмосфере азота (азотирование) приводит к образованию твёрдого раствора в феррите, нитридных соединений, что придаёт твёрдость поверхностным слоям
Ниобий (Nb)	Б	Ниобий - повышает кислотостойкость сталей	03Х16Н15М3Б
Вольфрам (W)	В	Вольфрам увеличивает твердость и красностойкость, способность сохранять при высоких температурах износостойкость. Вольфрам придает стали вязкость.	В18 В6М5К5
Марганец (Mn)	Г	Марганец - при содержании свыше 1 процента увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок.	14Г2 ШХ15ГС 30ХГС-Ш А40Г
Медь (Cu)	Д	Медь - уменьшает коррозию сталей	10Х18Н3Г3Д2Л
Кобальт (Co)	К	Кобальт - повышает жаропрочность, магнитопроницаемость	Р6М5К5
Молибден (Mo)	М	Молибден - увеличивает красностойкость, прочность, коррозионную стойкость при высоких температурах.	Р6М5К5 03Х16Н15М3Б
Никель (Ni)	Н	Никель - повышает прочность, пластичность, коррозионную стойкость Введение достаточного количества никеля (Ni) в хромистую сталь обеспечивает лучшую механическую прочность, делает сталь более стойкой к коррозии.	03Х16Н15М3Б 12Х2Н4А
Фосфор (P)	П	Повышает текучесть, хрупкость
Бор (B)	Р	Увеличивает прокаливаемость стали, делает сталь чувствительной к перегреву.
Кремний (Si)	С	Придает прочность, увеличивает ударную вязкость, способствует раскислению.	30ХГС-Ш 60С2ХФА 33ХС 38ХС
Титан (Ti)	Т	Повышает прочность, сопротивление коррозии
Ванадий (V)	Ф	Повышает плотность, прочность, сопротивление удару, истиранию. Замедляет старение стали.	9Х2МФ
Хром (Cr)	Х	Повышает твердость, коррозионную стойкость. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при некоторой меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементируемом слое; чувствительна к перегреву, прокаливаемость невелика. При введении легирующих элементов происходит скачкообразное повышение коррозионной стойкости. Стали хорошо свариваются.	ШХ15ГС 30ХГС-Ш ШХ6 03Х16Н15М3Б 40Х
Цирконий (Zr)	Ц	Легирование сталей цирконием (до 0,8 %) повышает их механические свойства и обрабатываемость.
Алюминий (Al)	Ю	Алюминий - повышает окалиностойкость Повышает жаростойкость сплавов на основе железа, меди, титана и некоторых других металлов. Замедляет старение стали.	АК7М2АК21М2
Редкоземельные металлы	Ч	Используются для связывания серы, фосфора в тугоплавкие соединения

Задача

Опишите физическую сущность процесса упругая и пластическая
деформация.

Решение

Деформация - изменение формы и размеров твердого тела под воздействием приложенных к нему нагрузок. Различают деформацию упругую (обратимую) и пластическую (необратимую). К деформациям относятся такие явления, как сдвиг, сжатие, растяжение, изгиб и кручение.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

Упругой деформацией называют такую, которая исчезает после снятия нагрузок, т.е. тело восстанавливает свою первоначальную форму. Пластическая деформация остается после снятия внешней нагрузке, (тело не восстанавливает первоначальную форму и размеры).

Пластическая деформация сопровождается смещением одной части кристалла относительно другой на расстояние, значительно превышающие расстояния между атомами в кристаллической решетке металлов и сплавов.

Способность металлов и сплавов к пластической деформации имеет важное практическое значение, т.к. все процессы обработки металлов давлением основаны на пластическом деформировании заготовок.

Величина пластической деформации не безгранична, при определенных ее значениях может начинаться разрушение металла.

При пластической деформации изменяется не только форма, но и свойства деформируемого металла. В реальном поликристаллическом металле происходит изменение форм зерен (кристаллитов) дробление отдельных зерен, а также ориентация их определенных кристаллографических осей в направлении течения металла. Преимущественная ориентация зерен называется текстурой. Текстура металлов обусловливает анизотропию их механических, магнитных и электрических свойств. В общем случае анизотропия свойств металла отрицательно сказывается при дальнейшей его обработки и эксплуатации изделий. В некоторых случаях специально стремятся создать максимально текстурованный в определенных направлениях для повышения механической прочности или магнитно-электрических свойств.

При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы сближаются. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. После снятия нагрузки смещенные атомы из-за действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают первоначальные размеры форму.

Самое малое напряжение вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и их величина находится в прямой зависимости от напряжения. Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость.

Важное значение имеет пластичность, она определяет возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением. Эти способы основаны на пластическом деформировании металла.

Материалы, которые имеют повышенную пластичность, менее чувствительны к концентраторам напряжений. Для этого проводят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий.

Задание 4

Опишите процесс отпуск, 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) После закалки сталь имеет структуру на основе мартенсита с тетрагональной искаженной кристаллической решеткой и остаточного аустенита, количество которого зависит от химического состава стали. При нагреве закаленной стали в ее структуре происходят фазовые превращения, которые можно показать в виде схемы.

Рисунок 10 Схема фазовых превращений при отпуске сталей

Отпуск стали - это чаще всего финальная термическая обработка после закалки, представляющая собой процесс нагрева полуфабрикатов и изделий до определенной температуры с последующим охлаждением. Ее основное назначение - ликвидация внутренних напряжений, отрицательно влияющих на технические параметры металлоизделий.

Оборудованием для нагрева стали для отпуска служат нагревательные термические печи и печи-ванны, которые подразделяют на электрические и топливные, обогреваемые за счет сгорания топлива (газа, мазута, угля и др.) и последующее охлаждение (обычно на воздухе).

Основные этапы проведения отпуска стали:

· нагрев сплава до температур начала фазовых превращений;

· выдержка при требуемой температуре;

· охлаждение с установленной скоростью.

В результате этого вида т/о получают требуемые технические характеристики изделий, сводят к минимуму внутренние напряжения. Чем выше температура термообработки и чем ниже скорость остывания, тем эффективнее устраняются остаточные напряжения.

Скорость охлаждения зависит от химического состава сплава и запланированного результата:

· интенсивное охлаждение после отпуска при +550…+650°Cповышает предел выносливости стали за счет сохранения в приповерхностном слое остаточных напряжений сжатия;

· металлоизделия сложной конфигурации после высокотемпературного отпуска охлаждают медленно, что позволяет избежать коробления;

· полуфабрикаты из легированных сталей, для которых характерна отпускная хрупкость, после отпуска при +550…+650°C охлаждают только в ускоренном темпе.

В зависимости от температуры нагрева выделяют три вида отпуска стали - высокий, средний и низкий.

Особенности низкого отпуска стали

Этот вид термообработки подразумевает нагрев заготовок и полуфабрикатов до +250°C. Результаты процесса: уменьшение закалочных напряжений, улучшение вязкости без падения твердости.

Средне- и высокоуглеродистые закаленные стали с содержанием углерода 0,6-1,3% после низкого отпуска имеют твердость, равную 58-63 HRC, и высокую износостойкость. Но изделия из таких сплавов при отсутствии вязкой сердцевины неустойчивы к динамическим нагрузкам.

Чаще всего низкий отпуск применяется для режущего и мерительного инструмента, изготовленного из углеродистых и низколегированных марок, металлопродукции после цементации, нитроцементации, цианирования.

Режимы среднего (среднетемпературного) отпуска стали

Температуры среднетемпературного отпускного процесса - +350…+500°C. Этот вид т/о, применяемый в основном для пружин, рессор, штампов, обеспечивает значительные пределы выносливости и упругости, хорошую релаксационную стойкость. Получаемые структуры: троостит или тростомартенсит, твердость - 45-50 HRC.

Охлаждение в воде после нагрева до температур +400…+450°C применяется для пружин с целью появления на поверхности остаточных напряжений сжатия, повышающих прочностные характеристики металла.

Высокотемпературный отпуск стали - режимы, цели

Температуры высокого отпуска - +500…+650°C, получаемая структура стали - сорбит отпуска. Задача, решаемая этим видом т/о, - получение оптимального соотношения между прочностью и вязкостью. Комплексная термообработка, включающая закалку и высокий отпуск, называется улучшением. Ее преимущество по сравнению с различными видами отжига и нормализацией - повышение временного сопротивления, предела текучести, ударной вязкости, относительного сужения.

Закалка и отпуск закаленной стали применяются для среднеуглеродистых сталей с содержанием C 0,3-0,5%, к которым предъявляются повышенные требования к ударной вязкости и пределу выносливости. С их помощью повышают прочность материала, снижают чувствительность к концентраторам напряжений, температуру порога хладоломкости, склонность к трещинообразованию.

Длительность высокого отпуска - 1-6 часов. Конкретное время зависит от габаритов металлоизделия.

Виды отпускной хрупкости

Повышение температуры отпуска в большинстве случаев улучшает характеристики металлоизделия, способствует эффективному снятию остаточных напряжений. Но есть ситуации, приводящие к ухудшению характеристик сплава. Ученые-металлурги разработали несколько действенных технологий устранения проблемы отпускной хрупкости, которая может быть низко- или высокотемпературной.

Хрупкость I рода - низкотемпературная

Эта разновидность хрупкости возникает при длительной выдержке материала при температурах +250…+350°C. Скорость охлаждения на вероятность ее появления не влияет. Распространяется эта проблема на все марки сталей.

Причина возникновения хрупкости I рода - активное, но неравномерное распространение углерода по поверхности кристаллической решетки. Следствие этого процесса - искажение кристаллической структуры сплава, а, следовательно, существенное увеличению хрупкости.

Отпускная хрупкость I рода является необратимым процессом, и она резко снижает эксплуатационные характеристики сплава, который становится пригодным только для переплавки. Технология борьбы с этой проблемой - выполнение низко- либо среднетемпературного отпуска. Нагрев до промежуточных температур - не допускается. Склонность к низкотемпературной отпускной хрупкости снижает высокотемпературная ТМО.

Отпускная хрупкость II рода - высокотемпературная

Проблема высокотемпературной отпускной хрупкости возникает при совпадении трех факторов. Это:

· нагрев сплава до температур, превышающих +500°C;

· наличие в стали высокого процентного содержания Cr, Mn, Ni;

· медленное охлаждение.

Последствие сочетания этих параметров - неравномерность распределения атомов углерода, хрома, марганца, никеля, нарушающая кристаллическую решетку стали. Высокотемпературная отпускная хрупкость усиливается при выдержке в течение 8-10 часов изделий в опасном температурном диапазоне. Определить эту проблему можно только при травлении шлифов поверхностно-активными реагентами, выявляющими границы аустенитных зерен, по которым происходит хрупкое разрушение.

Графически эти виды хрупкости выглядят, как показано на рисунке.

Рисунок 11. Проявление отпускной хрупкости в сталях при отпуске

Практически все стали подчиняются закону: повышение температуры отпуска -- снижение прочностных характеристик и повышение пластических, как показано на рисунке ниже.

Рисунок 12. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали

Такая закономерность не касается быстрорежущих инструментальных легированных карбидообразующими элементами сталей.

Существует два наиболее эффективных варианта решения этой проблемы. Первый способ: после появления признаков отпускной хрупкости нагреть металлоизделие еще раз до заданной температуры в масляной среде и быстро охладить. Второй метод -легирование сплава вольфрамом (примерно в количестве 1%) или молибденом - 0,3-0,4%.

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.

Рессорно-пружинные стали.

Рессорно-пружинная сталь -- сплав, который обладает очень высоким пределом текучести. Предел текучести -- это физическое свойство какого-либо материала, характеризующее напряжение, при котором деформация продолжают расти без увеличения нагрузки. По факту этот показатель отражает способность материала сохранять свою форму при изгибе и скручивании.

Чем лучше материал сохраняют форму при деформации, тем выше у него предел текучести. Высокий предел текучести возникает в материале за счет специальных методов обработки (закалка, отпуск). Это отличает сталь-пружину от многих других стальных сплавов, которые обычно «обретают необычные свойства» за счет включения в их состав различных легирующих добавок.

Также применяются соединения, содержащие большое количество марганца, никеля, кремния, вольфрама, азота. Эти компоненты делают материал еще более пластичным, а также повышают его химическую инертность (то есть такой материал не будет вступать в реакцию с щелочами, кислотами, солями). Как ясно из названия, пружинная сталь обычно применяется для производства пружин, торсионов, рессор, фортепианных струн, хомутов и многих других изделий.

Из пружинной стали изготавливается широкий ассортимент изделий и деталей, используемых в транспортных средствах, агрегатах и заводском оборудовании. Торсионы и рессоры, которые можно встретить в подвесках автомобилей и бронетехники, изготавливаются из стали марок 55C2, 60C2A и 70C3A. С недавнего времени для этих же целей стала использоваться сталь марки 50ХФА. Из нее же обычно изготавливаются клапана для пружин.

Детали для транспортных средств - не единственная сфера, в которой применяется пружинная сталь. Материалы из этой категории используются для изготовления отмычек, пружин для фрикционных дисков, а также для разного рода механизмов, в том числе производственных. Для тех или иных изделий и пружин подходит сталь определенных марок. Между ними есть большие отличия в плане важных эксплуатационных характеристик:

65Г

§ Основную часть химсостава занимает железо (его должно быть не меньше 97 %).

§ Также в структуре сплава есть марганец (0,9-1,2 %), он нужен для устранения окислов железа, для увеличения твердости, повышения упругости и сопротивления разрыву, увеличению плотности.

§ Углерод (0,62-0,7 %).

§ Кремний (0,17-0,3 %) отвечает за повышение упругих свойств.

§ Хром (до 0,25 %) повышает прочность стали и степень ее жаростойкости.

§ Никель (до 0,25 %) придает пластичность и антикоррозионные свойства.

§ Медь (до 0,2 %) увеличивает устойчивость к коррозии.

§ Фосфор (до 0,035 %) снижает пластичность и повышает хрупкость.

§ Сера (до 0,035 %) вызывает красноломкость.

Рисунок 13

Таблица 2

Таблица 3 Физические свойства стали 65Г

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	2.15		37	7850
100	2.13	11.8	36	7830	490
200	2.07	12.6	35	7800	510
300	2	13.2	34		525
400	1.8	13.6	32	7730	560
500	1.7	14.1	31		575
600	1.54	14.6	30		590
700	1.36	14.5	29		625
800	1.28	11.8	28		705

60С2А

Таблица 4 Химический состав, % (ГОСТ 14959-2016)

Марка стали	Массовая доля элементов, %
	С	Si	Mn	Ск	V	W	Ni	B	Cu, не более
60С2А	0,58-0,63	1,60-2,00	0,60-0,90	Не более 0,30	--	--	Не более 0,25	--	0,20

Таблица 5

Таблица 6

50ХГФА

Таблица 7 Химический состав в % материала 50ХГФА ГОСТ 14959 -79

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	V	Cu
0.48 - 0.55	0.17 - 0.37	0.8 - 1	до 0.25	до 0.025	до 0.025	0.95 - 1.2	0.15 - 0.25	до 0.2

Таблица 8 Технологические свойства материала 50ХГФА

Свариваемость:	не применяется для сварных конструкций.
Флокеночувствительность:	не чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	малосклонна.

Таблица 9 Механические свойства при Т=20^oС материала 50ХГФА .

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Пруток, ГОСТ 14959	до Ш 80		1422	1324	6	35		Закалка 850oC, масло, Отпуск 470oC,

Таблица 10

Задача

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

6.3 18Х11МНФБ

Решение

Сталь 18Х11МНФБ - высоколегированная жаропрочная

сплав 18Х11МНФБ: 18 - содержание углерода не более 0,18 %, «Х11» - наличие в сплаве хрома в концентрации 10-11%, буквы «М» означает концентрацию молибдена не более 1% , «Н» означает концентрацию никеля не более 1%,«Ф» означает концентрацию ванадия не более 1% и буква «Б» в конце марки означает, что в сплаве содержится не более 1% ниобия.

Назначение стали марки 18Х11МНФБ:Турбинные лопатки, диски, цельнокатанные роторы, детали клапанов, работающие при температуре до 580°С.Сталь жаропрочная мартенситно-ферритного класса, обладает высокой деформационной способностью и коррозионной стойкостью.

Таблица 11 Химический состав сплава 18Х11МНФБ

Al

C

Cr

Cu

Mn

Mo

Nb

Ni

P

S

Si

V

-

0,15-0,21

10,0-11,5

?0,30

0,60-1,0

0,80-1,1

0,20-0,45

0,5-1,0

?0,030

?0,025

?0,60

0,20-0,40

Таблица 12 Механические свойства при 20°С

Состояние поставки

Сечение,мм

tисп.,°C

tотпуск,°C

St|S0,2,МПа

sB,МПа

d5,%

d4

d

d10

y,%

KCU, кДж/м2

HB

HRC

HRB

HV

HSh

Прутки и полосы горячекатаные и кованые по ГОСТ 18968-73. Нормализация или закалка при 1000-1050 °C, охлаждение на воздухе или в масле + Отпуск при 660-770 °C, охлаждение на воздухе

Образец

590-735

?740

?15

?50

?588

229-269

Сортовой прокат горячекатаный и кованый по ГОСТ 5949-75. Закалка на воздухе или в масло с 1080-1130 °C + Отпуск при 660-770 °C, охлаждение на воздухе

Образец

590-735

?740

?15

?50

?588

Фасонные прутки (г/к, х/к и х/т - для лопаток паровых турбин; х/к и х/т - для связи лопаток паровых турбин) по ГОСТ 19442-74. Закалка на воздухе или в масло с 1080-1130 °C + Отпуск при 660-770 °C, охлаждение на воздухе (указана категория прочности)

КП60

Образец

588-735

735-931

?15

?50

?588

229-255

Таблица 13 Физические свойства сплава 18Х11МНФБ

Температура испытания, °С	20	100	200	300	400	500	600	700	800
Модуль нормальной упругости (Е, ГПа)	228	222	213	205	193	180
Модуль упругости при сдвиге кручением (G, ГПа)
Плотность (r, кг/м3)	7850
Коэффициент теплопроводности (l, Вт/(м °С))		21,4	25,1	25,9	26,3	27,2	28,0
Уд. электросопротивление (R, НОм м)
Коэффициент линейного расширения (a, 10-6 1/°С)		10,3	10,6	10,8	11,3	11,7	11,8	12,0	12,4
Удельная теплоемкость (С, Дж/(кг °С))		485	530	590	667	770	900

Данная марка сталепроката относится к трудносвариваемым сталям и для наложения сварочного шва необходимо принимать дополнительные действия:

· прогрев металла при сваривании - 250-300 градусов;

· после наложения сварочного шва, необходима термообработка методом отжига.

Таблица 14

Рекомендуемые режимы термической обработки заготовок	Временное сопротивление уВ, Н/мм2 (кгс/мм2)	Предел текучести уТ, Н/мм2 (кгс/мм2)	Относительное удлинение д5, %	Относительное сужение ш, %	Ударная вязкость, KCU, Дж/см2 (кгс·м/см2)
	не менее
Закалка с 1080 - 1130оС, охлаждение на воздухе или в масле, отпуск при 660-770оС, охлаждение на воздухе	740 (75)	590-735 (60-75)	15	50	59(6)

Таблица 15

Вид термической обработки	Режим термической обработки, оС	Охлаждающая среда
Нормализация или закалка	1080-1130	Воздух или масло
Отпуск	660-770	Воздух

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.

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

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

Размещено на Allbest.ru

...