Контрольная работа по «Материаловедению»

Федеральное агенство по образованию РФ 
Государственное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования 
«тюменский государственный нефтегазовый университет» г.Тюмень 
 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине: «Материаловедение»

Вариант № 2

 

 

 

 

 

 

 

                                     
                                                                                                 Выполнил:  
                                                                                   Студент ТюмГНГУ .   
                                                                          Группы ЭОПбз-11-2 3-курс 
                                                                                             Лаврищев М.Е. 

 

 

Вариант № 2 
 

1  Дайте определение следующим понятиям:

макроструктура, микроструктура, металловедение, твёрдость. 
 
Макроструктура металла (от макро... и лат. stuctura - строение), строение металла, видимое невооружённым глазом или с помощью лупы, то есть при увеличениях до 25 раз. М. изучают на плоских образцах - темплетах, вырезанных из изделия или заготовки, а также на изломах изделия. Для выявления М. поверхность темплета тщательно шлифуют, затем травят растворами кислот или щелочей. При исследовании М. можно обнаружить нарушения сплошности металла (раковины, рыхлость, газовые пузыри, расслоения, трещины и т.д.), выявить распределение примесей и неметаллических включений, форму и расположение кристаллитов (зёрен) в разных частях изделия, а иногда даже особенности строения отдельных зёрен металла (см. Металлография). Изучение М. позволяет сделать заключение о качестве заготовки и правильности ведения технологического процесса при литье, обработке давлением или сварке изделия. В некоторых случаях качество металла характеризуется видом излома, позволяющим установить, как проходит поверхность разрушения (по телу или по границам зёрен), выяснить причины разрушения и т.д.

 

Микроструктура металла (от микро... и лат. structura - строение), строение металла, выявляемое с помощью микроскопа (оптического или электронного). Металлы и сплавы состоят из большого числа кристаллов неправильной формы (зёрен), чаще всего неразличимых невооружённым глазом. Зёрна имеют округлую или вытянутую форму, могут быть крупными либо мелкими и располагаться друг относительно друга в определённом порядке или случайно. Форма, размеры и взаимное расположение, а также ориентировка зёрен зависят от условий их образования. Часть микроструктуры металла, имеющая однообразное строение, называемое структурной составляющей (например, избыточные кристаллы, эвтектика, эвтектоид, в частности для железоуглеродистых сплавов аустенит, феррит, цементит, перлит, ледебурит, мартенсит). Количественное соотношение структурных составляющих сплава определяется его химическим составом и условиями нагрева и охлаждения.

 

Металловедение - научная основа изысканий состава, способов изготовления и обработки металлических материалов с разнообразными механическими, физическими и химическими свойствами. Уже народам древнего мира было известно получение металлических сплавов (бронзы и др.), а также повышение твёрдости и прочности стали посредством закалки. Как самостоятельная наука металловедение возникло и оформилось в 19 веке, вначале под названием металлографии. Термин металловедение введён в 20-х гг.20 в. в Германии, причём было предложено сохранить термин "металлография" только для учения о макро - и микроструктуре металлов и сплавов. Во многих странах металловедение по-прежнему обозначают термином "металлография", а также называют "физической металлургией".

 

Твердость - сопротивление металлов вдавливанию. Твердость металлов не является физической постоянной, а представляет собой сложное свойство, зависящее как от прочности и пластичности, так и от метода измерения. Т. м. характеризуется числом твёрдости. Наиболее часто для измерения Т. м. пользуются методом вдавливания. При этом величина твёрдости равна нагрузке, отнесённой к поверхности отпечатка, или обратно пропорциональна глубине отпечатка при некоторой фиксированной нагрузке. Отпечаток обычно производят шариком из закалённой стали (методы Бринелля, Роквелла), алмазным конусом (метод Роквелла) или алмазной пирамидой (метод Виккерса, измерение микротвёрдости). Реже пользуются динамическими методами измерения, в которых мерой твёрдости является высота отскакивания стального шарика от поверхности изучаемого металла (например, метод Шора) или время затухания колебания маятника, опорой которого является исследуемый металл (метод Кузнецова - Герберта - Ребиндера). Числа твёрдости указываются в единицах НВ (метод Бринелля), HV (метод Виккерса), HR (метод Роквелла), где Н от английского hardness - твёрдость. Поскольку при определении твёрдости методом Роквелла пользуются как стальным шариком, так и алмазным конусом, часто вводятся дополнительные обозначения - В (шарик), С и А (конус, разные нагрузки). По специальным таблицам или диаграммам можно осуществлять пересчёт чисел твёрдости (например, число твёрдости по Роквеллу можно пересчитать на число твёрдости по Бринеллю). Выбор метода определения твёрдости зависит от исследуемого материала, размеров и формы образца или изделия и др. факторов.

 

Твёрдость весьма чувствительна к  изменению структуры металла. Измерениями  микротвёрдости пользуются при изучении механических свойств отдельных зёрен, а также структурных составляющих сложных сплавов. 
 
 
2   Начертите диаграмму железо-цементит, укажите структуры во всех областях и постройте кривые охлаждения для сплавов с заданным количеством углерода  0.2,  2.5  (в %). Все получающиеся структуры охарактеризуйте. 
 
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 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 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   выдел пня   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 727ºС имеют структуру феррит + перлит и заэвтектоидные – перлит + цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

 

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727ºС (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 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС 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 0,2%С, называется доэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – Феррит + Цементит (первичный). 
 
 
 
Сплав железа с углеродом, содержащий 2,5%С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре цементит (вторичный) + перлит + ледебурит (перлит + цементит). 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

                                                                                                                                                                                                                             3  Для заданных материалов приведите состав, свойства и примеры применения:                                                                          

25ХГСА, У10А, 25Х13Н2, А20, ВЧ100, АМг5, полистирол. 
 
Характеристика материала 25ХГСА. Марка:  25ХГСА

Заменитель:  20ХГСА

Классификация:  Сталь конструкционная легированная

Применение: ответственные сварные  и штампованные детали, применяемые  в улучшенном состоянии: ходовые  винты, оси, валы, червяки, шатуны, коленчатые валы, штоки и другие детали.  
 
Химический состав в% материала 25ХГСА.  
 
Температура критических точек материала 25ХГСА.

Ac1 = 755, Ac3 (Acm) = 840, Ar1 = 690 
 
Механические свойства при Т=20oС материала 25ХГСА. 

 
Физические свойства материала 25ХГСА. 
 
Технологические свойства материала 25ХГСА. 
 
 
 
 
 
Характеристика материала У10А: 
 
 
Характеристика материала 25Х13Н2: 
Химический состав в % материала 25Х13Н2. 
 
Механические свойства при Т=20oС материала 25Х13Н2. 
 
Физические свойства материала 25Х13Н2. 
 
 
 
 
 
 
 
Характеристика материала А20: 
 
Химический состав в % материала А20. 
 
Технологические свойства материала А20. 
 
 
 
Химический состав в % материала АМг5: 
.

 
Примечание: Al - основа; процентное содержание Al дано приблизительно                         Механические свойства при Т=20oС материала АМг5. 
 
Физические свойства материала АМг5. 
 
Технологические свойства материала АМг5 
 
 
 
Характеристика материала полистирол: 
   Полистирол и материалы на его основе относятся к конструкционным полимерным материалам. Они характеризуются достаточно высокой прочностью, жесткостью, высокой размерной стабильностью, отличными декоративными свойствами. Полистирол - аморфный полимер, характеризующийся высокой прозрачностью (светопропускание до 90%).  

 Полистирол (ПС, бакелит,  вестирон, стирон, фостарен,  эдистер и др.). Плотность 1,04-1,05 г/см3,  tразм 82-95 С. Полистирол растворяется в стироле и ароматических углеводородах, кетонах. Полистирол  не растворяется в воде, спиртах, слабых растворах кислот, щелочей. Модуль при изгибе 2700-3200 МПа. Теплопроводность 0,08-0,12 Вт/(м*К). Ударная вязкость  по Шарпи  с надрезом  1,5-2 кДж/м2. Полистирол склонен к растрескиванию. Температура самовоспламенения 440 С. КПВ пылевоздушной смеси 25-27,5 г/м3.Полистирол хрупок, стоек к щелочам и ряду кислот, к маслам, легко окрашивается красителями, не теряя прозрачности, имеет высокие диэлектрические свойства. Полистирол не токсичен, допущен к контакту с пищевыми продуктами и к использованию в медико - биологической технике. 
 
     Основные свойства полистирольных пластиков 
 
. 
Механические свойства полистирола: 
 
Теплофизические свойства полистиролов: 
 
Температурные характеристики: 
 
 
Диэлектрическая проницаемость полистиролов: 
 
Показатели пожароопасности полистиролов: