Контрольная работа по «Материаловедение»

 

Структура чугуна остается важнейшим  классификационным признаком, так как она определяет его основные свойства. Структура графитизированных чугунов состоит из металлической основы, пронизанной графитными включениями. Последние очень благоприятно влияют на износостойкость и циклическую вязкость чугуна. 

 

К важнейшим классификационным  признакам относятся также механические свойства (а для чугунов специального назначения и специальные свойства), состав отливок, технология производства, конструкция отливок и области  их применения.

Прочностные свойства чугуна определяются характером металлической основы и степенью ослабления этой основы графитными включениями. К последним относятся прежде всего количество, форма и характер распределения графитных включений. 

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ  

 

В чугунах, кроме железа и углерода, содержится (в качестве обычно определяемых постоянных примесей) кремний, марганец, фосфор и сера. Чугуны содержат также  незначительные количества кислорода, водорода и азота.

По химическому составу чугуны делятся на  нелегированные и легированные.

Нелегированными считаются чугуны, в которых количество марганца не превосходит 2% и кремния 4%. При наличии этих элементов в больших количествах или при содержании специальных примесей чугуны считаются легированными. Принято считать, что в малолегированных чугунах количество специальных примесей (Ni, Сr, Сu и т. п.) не превосходит 3%.

При малом и умеренном легировании  стремятся улучшить общие свойства чугуна —однородность структуры, сохранение прочности и упругости при  нагреве до относительно невысоких  температур — 300—400°, повышение износостойкости, повышение прочности и т.д. 

 

При среднем, повышенном и высоком  легировании чугун приобретает специальные свойства, так как значительно меняется состав твердых растворов и карбидов. В этом случае наибольшее значение приобретает изменение характера металлической основы. Путем легирования можно получить непосредственно в литом состоянии мартенсит, игольчатый троостит и аустенит. Это повышает коррозионностойкость, жаростойкость и меняет магнитные свойства.  

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СТРУКТУРЕ И УСЛОВИЯМ ОБРАЗОВАНИЯ ГРАФИТА 

 

По степени графитизации, формам графита и условиям их образования различают следующие типы чугунов:

а) белый,

б) половинчатый,

в) серый с пластинчатым графитом,

г) высокопрочный  с шаровидным графитом и

д) ковкий. 

 

Перечисленные названия нельзя считать  достаточно удачными, поскольку они  отражают только вид излома или некоторые  свойства и совершенно не характеризуют  вид структуры. Однако эти названия исторически сложились и их придерживаются.

Характер металлической основы чугуна определяется степенью графитизации, состоянием легирования и видом  термической обработки.

По степени графитизации белый  чугун является почти неграфитизированным, половинчатые чугуны являются малографитизированными, а остальные чугуны —значительно графитизированными .

а) Белый чугун. Белым называется чугун, у которого почти весь углерод находится в химически связанном состоянии. Белый чугун весьма тверд, хрупок и очень трудно обрабатывается резцами (даже из твердых сплавов).

б) Половинчатый чугун. Половинчатый чугун характерен тем, что наряду с карбидной эвтектикой в структуре имеется и графит. Это означает, что количество связанного углерода превосходит его предельную растворимость в аустените в реальных условиях затвердевания.

Структура половинчатого чугуна —  ледебурит + перлит + графит. В легированных и термически обработанных чугунах можно получить мартенсит, аустенит или игольчатый тростит.

Половинчатым чугун называется потому, что вид излома у него  представляет собой сочетание из светлых и темных участков кристаллического строения. Половинчатый чугун тверд и хрупок; применение изделий из половинчатого чугуна ограничено. Чаще всего эта структура встречается в отбеленных отливках в качестве переходной зоны между отбеленным слоем и графитизированной частью.

в) Серый чугун (СЧ). Серый чугун наиболее распространенный машиностроительный материал. Главное отличие серого чугуна заключается в том, что графит в плоскости шлифа имеет пластинчатую форму. Когда пластинки очень дисперсны, графит называют дисперсным или точечным  Получение      пластинчатой формы графита не требует термообработки   или обязательного модифицирования.

Пластинчатый графит различают по степени изолированности, характеру расположения, форме и размерам пластинок

Вид излома серого чугуна в значительной степени зависит от количества графита  —чем больше графита, тем темнее излом.

Отливки из серого чугуна производятся любой толщины.

Вследствие сильного ослабляющего действия пластинок графита серому чугуну свойственны почти полное отсутствие относительного удлинения (менее 0,5%) и весьма низкая ударная  вязкость.

В связи с тем, что серый чугун  независимо от характера металлической основы имеет низкую пластичность, большей частью стремятся к получению его с перлитной основой, поскольку перлит значительно прочнее и тверже феррита. Снижение количества перлита и повышение за счет этого количества феррита приводят к потере прочности и износостойкости без повышения пластичности. Не дают также большой пластичности легирование серого чугуна и получение аустенитной основы.

г) Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ). Принципиальное отличие высокопрочного чугуна от других видов чугуна заключается в шаровидной форме графита, которая получается главным образом путем введения в жидкий чугун специальных модификаторов (Mg, Се). Поэтому высокопрочный чугун часто называют магниевым, хотя в ГОСТе он назван «высокопрочным». Размеры и количество графитных включений бывают  различными.

Шаровидная форма графита является наиболее благоприятной из всех известных  форм. Шаровидный графит меньше других форм графита ослабляет металлическую  основу. Металлическая основа высокопрочного чугуна бывает в зависимости от требуемых  свойств перлитной, перлитно-ферритной  и ферритной .   Путем легирования и   термообработки можно получить аустенитную, мартенситную или игольчато-трооститную основу.

Отливки из высокопрочного чугуна так  же, как и серого чугуна, могут  производиться любой толщины. 

д) Ковкий чугун (КЧ). Главное отличие ковкого чугуна заключается в том, что графит в нем имеет хлопьевидную или шаровидную форму. Хлопьевидный графит бывает различной компактности и дисперсности, что отражается на механических свойствах чугуна.

Промышленный ковкий чугун производится главным образом с ферритной  основой; в ней однако всегда имеется  перлитная кайма. В последние  годы стали широко применяться чугуны с феррито-перлитной и перлитной  основой. Чугун с ферритной основой  обладает большой пластичностью.

Излом у ферритного ковкого чугуна черно-бархатистый; с увеличением количества перлита в структуре излом становится значительно светлее.

Отливки из ковкого чугуна бывают ограниченной толщины, обычно не более 40—50 мм. Толщина отливок лимитируется трудностью получения сквозного отбеливания.  

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СВОЙСТВАМ 

 

Классифицировать чугуны можно  по механическим и специальным свойствам.

По механическим свойствам чугунные отливки делят по:

а) твердости (НВ —твердость по Бринеллю);

б) прочности (σ_в—предел прочности при растяжении);

в) пластичности (δ —относительное удлинение).

Очень удобным является следующее  деление:

а) по твердости

Мягкие чугуны................ΗВ до 149

Средней твердости...............НВ = 149— 197

Повышенной твердости.............ΗВ = 197 — 269

Твердые ...................ΗВ выше 269

б) по прочности

Обыкновенной прочности......... σ_в до 20 кг/мм2

Повышенной прочности.......... σ_в = 20 — 38 кг/мм2

Высокой прочности............ σ_в = 40 кг/мм2 и выше

Обыкновенной прочности бывают только серые чугуны. Повышенной прочности бывают серые и ковкие чугуны, высокой прочности ковкие чугуны и чугуны с шаровидным графитом.

в) по пластичности

Непластичные     δ до 1 %

Малопластичные    δ = 1-5%

Пластичные           δ = 5-10%

Повышенной пластичности   δ выше 10%  

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СПОСОБУ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧУГУНА ОТЛИВОК

И ИХ ОБРАБОТКИ 

 

Большое влияние на свойства чугуна оказывает плавильный агрегат (ваграночный  чугун, электроплавильный чугун  и т. п.), поскольку от этого зависит  степень перегрева жидкого чугуна. Часто приходится встречаться с  тем, что какой-нибудь один или несколько  технологических факторов играют решающую роль в деле изменения свойств  чугуна. Например, добавка стали  в ваграночную  шихту улучшает свойства чугуна. Такой чугун называют сталистым. Хорошие результаты достигаются модифицированием жидкого чугуна перед разливкой его в формы. В этом случае чугун называется модифицированным.

Соответственно можно классифицировать чугуны по характеру шихты, способу  плавки и способу обработки жидкого  чугуна.

Большое влияние на свойства чугуна оказывает также состояние формы  и характер заливки в нее. По способу  получения отливок чугунное литье  можно разделить на кокильное (измельчение  структуры за счет ускоренного охлаждения), центробежное (плотная структура), армированное (упрочнение отливок) и т. п.

Значительное изменение свойств  достигается термообработкой отливок. С помощью термической обработки  можно изменить степень дисперсности металлической основы и ее характер вплоть до превращения ее в игольчато-трооститную и мартенситную. До некоторого предела можно изменить количество связанного углерода, а при химико-термической обработке можно в поверхностных слоях изменить и состав чугуна. По виду термической обработки можно разделить отливки  на отожженные, нормализованные, улучшенные, поверхностно-закаленные, азотированные и т. п. 

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ВИДАМ ОТЛИВОК  И ОБЛАСТЯМ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ 

 

Чугунные отливки по видам отливок  и областям их применения можно делить на станочные, цилиндровые, автомобильные, подшипниковые, прокатные валки из отбеленного чугуна и т. п.

Из приведенных классификаций  наиболее четкой является классификация по структуре, наименее четкой является классификация по видам отливок, поскольку чугуны с одинаковой структурой и одинаковым составом могут быть пригодны для различных видов отливок и отраслей машиностроения.

Необходимо отличать главнейшие (определяющие) признаки классификации — форма графита от уточняющих признаков, к которым относится характер металлической основы, способ изготовления и т. п. Например, мало сказать серый чугун (пластинчатый графит), надо уточнить, какой серый чугун по металлической основе, как он получен (модифицированием или термической обработкой), легирован ли и чем он легирован.

 

 

4. Магнитотвердые  ферриты. Состав технологии изготовления, применение.

Магнитотвердые  ферриты (оксидные магниты) – это ферримагнетики с большой кристаллографической анизотропией. Технология их получения аналогична технологии приготовления керамики. При этом важным критерием являются степень и однородность измельчения шихты. Размер частиц шихты должен быть близок к критическому размеру однодоменности феррита (1 мкм).

Практическое  применение получили ферриты бария, стронция и кобальта. Ферриты бария  и стронция имеют гексагональную структуру с общей химической формулой MeO*nFe₂O₃, где Me – барий или стронций, n – коэффициент, изменяющийся в зависимости от марки феррита от 4,7 до 6,0. Для получения определенного сочетания магнитных свойств в материал вводят оксиды Al, Si, В и Bi в количестве 0,1 – 3,0 % и редкоземельные элементы – 0,1 – 1,0 %. Ферриты бария и стронция в сравнении с литыми магнитами обладают меньшими значениями Вr. Однако большая кристаллографическая анизотропия существенно увеличивает их Нс, что позволяет получать удовлетворительную Wм и придает им повышенную стабильность при воздействии внешних магнитных полей, ударов и толчков. Их плотность примерно в 1,5 раза ниже, чем у литых магнитов, а удельное сопротивление в миллион раз выше, что позволяет применять их в цепях, подвергающихся действию высокочастотных полей. Благодаря своим преимуществам магнитотвердые ферриты постепенно вытесняют магнитотвердые материалы других групп. Недостатком этих материалов является большая величина температурного коэффициента Вr, чем у литых магнитов.

Магниты на основе феррита бария выпускают  изотропными (БИ) и анизотропными (БА), а ферриты стронция – анизотропными (СА). Производство магнитов марок (БА) и (СА) включает в себя прессование  в постоянном магнитном поле (H > 240 – 400 кА/м) для улучшения свойств  в направлении действия поля. Ферриты  кобальта имеют кубическую структуру  с общей химической формулой CoO*Fe₂O₃. Их получают их по той же технологии, что и ферриты бария и стронция. Основное отличие заключается в термомагнитной обработке спеченных магнитов для придания им улучшенных свойств. Магнитные свойства феррита кобальта анизотропного (КА) заметно хуже, чем анизотропных ферритов бария и стронция. Однако в диапазоне температур –70°С – +80°С КА имеет температурный коэффициент В_r в 3 – 4 раза меньше, чем у ферритов бария и стронция.

 

 

5. Стеклопластики. Состав, получение, свойства, применение.  

Стеклопластики (стеклонаполненные пластики) — один из первых конструкционных материалов на полимерной основе. Они представляют собой композиционные конструкционные материалы, сочетающие высокую прочность с относительно небольшой плотностью.  
 
Основными компонентами стеклопластиков являются стекловолокнистые армирующие материалы и синтетические связующие. Тонкие высокопрочные стеклянные волокна обеспечивают прочность и жесткость стеклопластика. Связующее придает материалу монолитность, способствует эффективному использованию механических свойств стеклянного волокна и равномерному распределению усилий между волокнами, защищает волокно от химических, атмосферных и других внешних воздействий, а также само воспринимает часть усилий, развивающихся в материале при работе под нагрузкой. Кроме того, связующее придает материалу способность формоваться в изделия самых различных форм и размеров, что обеспечивает широкое применение стеклопластиков во многих отраслях промышленности.  
 
Благодаря армированию полимерной матрицы стекловолокном, стеклопластик приобретает свойства, недоступные обычным пластмассам. Стеклопластик на порядок лучше них по прочности, истираемости, линейному расширению, ударным и вибрационным нагрузкам. Из-за высоких прочностных характеристик, стеклопластик называют «легким металлом», но в то же время он имеет низкую плотность, по сравнению с металлом, низкую теплопроводность и не подвержен коррозии. Стеклопластик обладает многими очень ценными свойствами, дающими ему право называться одним из материалов будущего.