Контрольная работа по «Материаловедение»

Министерство образования  и науки РФ

Федеральное государственное  образовательное учреждение

среднего профессионального  образования

«Шадринский политехнический  колледж»

 

 

 

 

 

Контрольная работа

По дисциплине «Материаловедение»

 

 

 

 

 

Выполнил

Студент 35 группы

   заочного отделения

Утюпин И.Ф.

Проверила

Кунгурцева Н.А.

Оценка ________

 

 

 

 

 

 

Шадринск, 2012 
Содержание

 

 

1. Структура сплавов.  Образование твердых растворов.  Диаграмма состояния сплавов III типа………………………………………………...…….. 3

2. Характеристика механических свойств…………………………...….. 6

3. Производство стали в мартеновских печах: состав шихты, технология плавки. Схема мартеновской печи в разрезе…………………..…..9

4. Сущность процесса  фрезерования. Операции фрезерования. Виды фрез ……………………………………………………………………..………..12

5. Классификация легированных  сталей. Марки по стандарту. Область  применения…………………………………………………………….…………14

6. Назначение и технология  выполнения азотирования стали……...…16

 

Список использованной литературы…………………….………………18

 

1. Структура сплавов.  Образование твердых растворов. Диаграмма состояния сплавов III типа

 

Металлы и их сплавы –  основной материал в машиностроении. Они обладают многими ценными  свойствами, обусловленными в основном их внутренним строением. Мягкий и пластичный металл или сплав можно сделать твердым, хрупким, и наоборот.

Чистые металлы относительно редко применяются в машиностроении и других отраслях хозяйственного комплекса. Более широко используются сплавы, состоящие из двух и более элементов (из двух металлов, например меди и цинка, или из металла и неметалла, например железа и углерода). Элементы, входящие в сплав, называются компонентами.

Сплавы, представляющие собой твердые растворы, отличаются ценными свойствами. Они тверже и  прочнее, чем входящие в него компоненты.

Сталь и чугун – основные материалы в машиностроении. Они составляют 95 % всех используемых в технике сплавов.

Сталь – это сплав  железа с углеродом и другими  элементами, содержащий до 2,14 % углерода. Углерод – важнейшая примесь  стали. От его содержания зависят  прочность, твердость и пластичность стали. Кроме железа и углерода, в состав стали входят кремний, марганец, сера и фосфор. Эти примеси попадают в сталь в процессе выплавки и являются ее неизбежными спутниками.

Чугун – сплав на железной основе. Отличие чугуна от стали заключается в более высоком содержании в нем углерода – более 2,14 %. Наибольшее распространение получили чугуны, содержащие 3–3,5 % углерода. В состав чугунов входят те же примеси, что и в стали, т. е. кремний, марганец, сера и фосфор. Чугуны, у которых весь углерод находится в химическом соединении с железом, называют белыми (по виду излома), а чугуны, весь углерод которых или большая его часть представляет графит, получили название серых. В белых чугунах всегда имеется еще одна структурная составляющая – ледебурит. Это эвтектика, т. е. равномерная механическая смесь зерен аустенита и цементита, получающаяся в процессе кристаллизации, в ней 4,3 % углерода. Ледебурит образуется при температуре +1147 °C.

Перлит – равномерная  механическая смесь в сплаве феррита и цементита. Такое название эта смесь получила потому, что шлиф при ее травлении имеет перламутровый оттенок. Так как перлит образуется в результате процессов вторичной кристаллизации, его называют эвтектоидом. Он образуется при температуре +727 °C. В нем содержится 0,8 % углерода.

Сплавы можно получать при соединении большинства металлов друг с другом, а также с неметаллами.

Твердые растворы - это  фазы, содержание компонентов в которых  может изменяться без нарушения  типа кристаллической решетки основного компонента. В зависимости от способа размещения атомов в кристаллической решетке различают следующие типы твердых растворов - замещения, внедрения и вычитания.

Твердые растворы замещения образуются в результате замены в кристаллической решетке части атомов одного компонента - растворителя на атомы другого (или других компонентов) без изменения типа этой решетки. В качестве компонентов, образующих твердый раствор замещения, могут быть чистые металлы или промежуточные фазы (в том числе химические соединения). Если твердые растворы на основе чистых металлов могут быть в широком интервале их концентраций, то твердые растворы на основе промежуточных фаз чаще всего существуют в сравнительно небольшом интервале концентраций, который оказывается часто совсем незначительным, особенно если в этих фазах имеются ионные связи. Твердые растворы замещения - это макроскопически однородные фазы, в которых атомы компонентов в любом объеме распределены статистически одинаково, хотя в атомном масштабе эта однородность распределения может быть нарушена в результате появления отдельных скоплений (кластеров) из атомов компонентов.

Твердые растворы внедрения образуются на основе металлов с такими неметаллами, как углерод, азот, водород, бор и др. При этом атомы неметалла занимают окта- или тетра-эдрические поры в решетке металла. Образование подобных твердых растворов возможно в том случае, когда атомы неметаллов имеют существенно меньшие размеры, чем атомы металла. Подобные твердые растворы не могут быть непрерывными, поскольку не может быть непрерывного перехода от атомов металла к неметаллу. Твердые растворы внедрения могут быть упорядоченными, когда атомы внедрены лишь в определенные и закономерно расположенные поры в решетке металла.

Твердые растворы вычитания образуются на основе некоторых промежуточных фаз и химических соединений и характеризуются дефектной решеткой, т.е. решеткой со свободными (или с незанятыми) узлами, которые должны были принадлежать атомам одного из компонентов. Эти свободные узлы могут возникать под влиянием изменения концентрации одного из компонентов. Такие твердые растворы вычитания могут возникать независимо от того, являются ли эти компоненты металлами или один из них металл, а другой - неметалл.

Диаграмма состояния  сплавов алюминий-медь (рис.1.) относится к диаграммам состояния III типа, когда компоненты образуют твердый раствор с ограниченной растворимостью, уменьшающейся с понижением температуры. В сплавах, имеющих диаграмму состояния такого типа, протекает вторичная кристаллизация, связанная с частичным распадом твердого раствора. Такие сплавы можно подвергать термической обработке III и IV групп, т. е. закалке и старению.

Из диаграммы состояния  А1 — Сu следует, что наибольшая растворимость меди в алюминии наблюдается при 548°, когда она составляет 5,7%; при понижении температуры растворимость меди в алюминии уменьшается и при комнатной температуре составляет 0,5%.

 

Рис. 1 Диаграмма состояния  сплавов алюминий — медь.

 

Если сплавы с содержанием  меди от 0,5 и до 5,7% подвергнуть закалке с нагревом выше температур фазовых превращений (например, выше точки 5 на диаграмме состояния сплавов А1 — Сu), то сплав перейдет в однородный твердый раствор а. После закалки в сплаве будет протекать распад твердого раствора, сопровождающийся выделением избыточной фазы высокой степени дисперсности. Такой фазой в сплавах Аl — Сu, является твердое и хрупкое химическое соединение СuА1₂.

При естественном старении в закаленном сплаве происходит образование  зон (дисков) с повышенным содержанием меди. Толщина этих зон, называемых зонами Гинье — Престона, равна двум-трем атомным слоям. Наибольшую твердость и прочность имеет сплав в первой стадии старения.

 

2. Характеристика механических  свойств

 

Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, конструктор обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе.

Механические  свойства определяют поведение материала  при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.

В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:

1. статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.
2. динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.
3. повторно, переменном или циклическим нагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.

Для получения сопоставимых результатов  образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами.

При статическом испытании на растяжение: ГОСТ 1497 получают характеристики прочности  и пластичности.

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.

Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца (мм) от действующей нагрузки Р, т.е. .

Так как практически  невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости, – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию.

Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности.

Пластичность  –– способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности.

Это свойство используют при обработке металлов давлением.

Пластичные материалы  более надежны в работе, т.к. для  них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения.

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической  обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).

Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление  материала пластической деформации, тем выше твердость.

Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и  микротвердости. Схемы испытаний  представлены на рис. 7.1.

Рис. 2. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

 

Твердость по Бринеллю ( ГОСТ 9012) 

Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.2 а)

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали  и чугуна –  , литой бронзы и латуни – , алюминия и других очень мягких металлов – .

Продолжительность выдержки : для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.

Твердость определяется как отношение  приложенной нагрузки Р к сферической  поверхности отпечатка F:

Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P / , НВ 5/ 250 /30 – 80. 

 

Метод Роквелла ГОСТ 9013

Основан на вдавливании  в поверхность наконечника под  определенной нагрузкой (рис. 2 б)

Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” ( 1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 ктс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой .

В зависимости от природы  материала используют три шкалы  твердости (табл. 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.Шкалы  для определения твердости по Роквеллу

 

Метод Виккерса

Твердость определяется по величине отпечатка (рис.2 в).

В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида с  углом при вершине 136^o.

Твердость рассчитывается как отношение  приложенной нагрузки P к площади  поверхности отпечатка F:

Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного  способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.

Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).

Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс

 

3. Производство стали в мартеновских печах: состав шихты, технология плавки. Схема мартеновской печи в разрезе

 

 

Предпосылки мартеновского  способа появились в 1856 году. Мнение о том, что чугун можно преобразовывать  в сталь в пламенной печи высказал немецкий ученый Ф. Сименс. А П. Мартен (в честь которого и был назван способ получения стали), не только построил, но и ввел в эксплуатацию первую регенеративную печь с отражающим эффектом. В этой печи плавили литую сталь. А в Росси разработки технологию плавки на жидком чугуне разработали братья Горяновы. Стремительными темпами мартеновский процесс начал развиваться с конца 19 века, и уже в начале 20 века он стал основным сталеплавильным производством. В середине 20 века, с появлением кислородно-конвертерного метода получения стали, мартеновское производство перешло на второй план.