Контрольная работа по «Материаловедение. ТКМ»

Дисциплина «Материаловедение. ТКМ»

Контрольная работа

1. Сущность производства стали. Какие разновидности процессов получения стали существуют?

Решение:

Сущность процесса производства стали заключается в удалении содержащихся в исходном материале избыточных примесей с помощью окислительно-восстановительных процессов. Исходным материалом при этом может быть чугун, лом, руда, отходы литейного производства.

Используя различные способы переработки можно получить сталь разного состава и качества.

Конверторный способ основан на продувке сжатым воздухом расплавленного чугуна. При продувке кислород воздуха вступает в реакцию с примесями чугуна и окисляет их, в результате чего получается сталь. Для конверторного способа используют жидкий чугун, полученный в доменных печах и выдержанный в специальных металлоприемниках (миксерах).

Достоинствами конверторного способа являются: высокая производительность агрегатов, компактность оборудования и т.д.

К недостаткам этого способа относятся невозможность переработки большого количества стального и железного лома, а также передел чугунов только определенного химического состава.

Марки конверторной стали обозначают начальными буквами Б и Т, что значит бессемеровская и томасовская сталь.

Получение качественной стали производится с помощью мартеновского процесса. В мартеновской печи находится плавильное пространство, которое сжигает разнообразное топливо или мазут. Для получения стали в расплавленном состоянии нужна высокая температура, благодаря которой обеспечивается регенерация тепла печных газов. Время плавки составляет от трех до шести часов, для крупных печей – до 12-ти часов.

Существуют разновидности мартеновского процесса, которые используют при расплавке в зависимость от самого состава шихты.

- скрап-процесс: шихта состоит из стального  лома и 25-45% чушкового передельного чугуна.

- скрап-рудный  процесс: шихта состоит из железной  руды и 55-75% жидкого чугуна. Этим  процессом выплавляют такие виды  сталей как низко- и марганцовистые, конструктивные, углеродистые. Мартеновская сталь поступает в виде листовой и сортовой, рельсов, отливок, заготовок для ковки и штамповки.

Плавка в электропечах дает возможность получать высококачественные стали. Сущность процесса заключается в очищении стали от шлаков и примесей в виде серы и фосфора.

 

2. Вычертите диаграмму состояния Fe-Fe3C, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0оС (с применением правила фаз) для сплава определенной концентрации. Для этого же сплава определите по правилу отрезков при заданной температуре: процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз.

Концентрация C в сплаве - 1,4%. Температура - 1350 оС.

 

Решение.

Диаграмма состояния железо-цементит.

 

 

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 α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-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 . 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 γ -железа в α-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 .

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 (точка Q), 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 727°С имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727°С при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращается 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 727°С состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727°С состоит из ледебурита, превращенного и цементита первичного.

Построим кривую охлаждения для сплава, содержащего 1,4% углерода

 

При охлаждении примерно до сплав находится в жидком состоянии. При начинается кристаллизация аустенита. От до происходит кристаллизация аустенита из жидкого расплава и при сплав полностью переходит в аустенит. От до никаких структурных превращений не наблюдается, идет просто охлаждение аустенита. При , начинается выделение вторичного цементита из аустенита. При медленном охлаждении цементит выделяется по границе аустенитных зерен. Состав аустенита изменяется и при температуре 727°С аустенит содержит 0,8% углерода. При этой температуре происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит. При дальнейшем охлаждении ниже 727°С из феррита, входящего в перлит, выделяется третичный цементит. Третичный цементит, наслаиваясь на кристаллы вторичного цементита и цементита перлита, не оказывает заметное влияние на свойства. Поэтому при рассмотрении структур заэвтектоидных сталей о третичном цементите обычно

не упоминают. Конечная структура П +ЦII +ЦIII - перлито-цементитная.

При температуре данный сплав находится в жидком состоянии, и идет кристаллизация аустенита. Число степеней свободы (, так как два компонента железо и углерод, число фаз )

 

 

 

По правилу отрезков видим, что состав аустенита точка – это железо с содержанием углерода равным примерно 0,95%. В жидком расплаве содержание углерода примерно 2,65%.

Массовое содержание аустенита

 

Массовое содержание жидкого сплава

 

 

3. После закалки углеродистой стали со скоростью охлаждения выше критической была получена структура, состоящая из феррита и мартенсита. Проведите на диаграмме состояния “железо-карбид железа” ординату, соответствующую примерному составу заданной стали, укажите принятую в данном случае температуру нагрева под закалку и опишите превращения, которые произошли в стали при нагреве и охлаждении. Как называется такой вид закалки?

 

Решение.

Сущность закалки заключается в превращении аустенита в мартенсит. В связи с этим, чтобы осуществить закалку, нужно нагреть сталь до аустенитного состояния.

Температуру нагрева углеродистых сталей легко определить по диаграмме состояния.

Так как у нас не получился чистый мартенсит, следовательно, в аустените присутствовали частицы феррита. То есть состояние температуры закалки соответствовало аустенит+феррит, то есть ниже интервала закалочных температур (неполная закалка). Это состояние соответствует доэфтектоидной стали, где содержание углерода менее 0,8%. К примеру, для стали с содержанием углерода 0,5%. На диаграмме состояния — это будет ордината.

Температура закалки будет примерно .

Содержание углерода в феррите не бывает выше 0,025%, поэтому при закалке в этих участках не получится пересыщенного твердого раствора углерода в железе, т. е. мартенсита. Аустенитные же участки превратятся в мартенсит. Таким образом, в закаленной стали в этом случае наряду с твердым мартенситом будет присутствовать мягкий феррит. В результате твердость стали будет пониженной.

 

4. Для детали задана определенная марка стали. Укажите состав и определите, к какой группе по назначению относится данная сталь. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали. Опишите микроструктуру и свойства стали после термической или химико-термической обработки.

Данные по маркам сталей:

Наименование детали	Марка стали	Твердость после термообработки
Распределительный вал	20ХГНР	56...62 HRC (поверхность) 360...420 HB (сердцевина)

Решение:

классификация стали: конструкционная легированная

Назначение: зубчатые колеса, вал-шестерни, червяки, кулачковые муфты, втулки и другие ответственные детали, работающие в условиях ударных нагрузок

Химический состав стали:

Бор (B)  0.001-0.005

Кремний (Si)  0.17-0.37

Марганец (Mn)  0.70-1.00

Медь (Cu), не более 0.30

Никель (Ni)  0.80-1.10

Сера (S), не более 0.035

Титан (Ti), не более 0.06

Углерод (C)  0.16-0.23

Фосфор (P), не более 0.035

Хром (Cr)  0.70-1.10

Свариваемость: ограниченно свариваемая

Легированные низкоуглеродистые стали после отжига имеют структуру феррит + перлит, а так же после закалки малоуглеродистый мартенсит.

Установлено, что добавки азота вместе с нитридообразующими элементами способствует значительному измельчению зерна и повышению температуры начала роста зерна аустенита. Нитриды влияют на свойства стали также путём воздействия на кинетику превращения аустенита и на дисперсное твердение.

Высокая пластичность, мелкое зерно и особенно высокая температура его роста способствуют получению качественных сварных соединений листов толщиной от 20 мм - сталь с нитридами алюминия и до 100 мм (сталь с нитридами ванадия). Низколегированная сталь с нитридным упрочнением удовлетворительно деформируется в холодном и горячем состояниях. Сталь такого типа характеризуется высоким сопротивлением хрупкому разрушению и достаточно низким порогом хладно ломкости.

Сталь 20ХГНР относится к борсодержащим сталям. В конструкционные стали бор вводят в количестве от 0,001 до 0,005% (так называемое микролегирование). Бор повышает плотность слитка, устраняет дендритную структуру. Стали с бором легче обрабатываются при горячей пластической деформации, хорошо обрабатываются резанием.

 

5. Пенопласты, их разновидности и свойства. Укажите области применения пенопластов в машиностроении.

Решение:

Пенопластами называют органические материалы с высокой пористостью, полученные из синтетических смол.

В зависимости от степени прочности подразделяют жесткие, полужесткие, эластичные пенопласты.

По структуре полимера используемого при изготовлении пенопласта разделяют термопластичные и термореактивные пенопласты.

В основе термопластичных пенопластов лежат полимеры с линейной структурой, это полистирол, поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен.

В основе термореактивных пенопластов лежат полимеры с пространственной структурой.

Важнейшим фактором, определяющим качество пенопластов является соотношение числа открытых и закрытых пор в их структуре – чем больше закрытых пор, тем лучше физико-механические качества пенопласта.

Применение пенопласта в машиностроении связано с литейным делом. Из него получают точные формы для отливок.