Контрольная работа по "Материаловедение"

Контрольная работа № 1

Вариант № 7

Определить по диаграмме железо-цементит, какие превращения совершаются в доэвтектическом белом чугуне какого-либо состава при охлаждении от расплавленного состояния до комнатной температуры. Какова окончательная структура сплава? Назначить режим термической обработки для превращения этого чугуна в ковкий чугун и указать, как изменяются при этом свойства чугуна. Какова причина этих изменений?

1. Изменения, происходящие в белом чугуне.

В доэвтектических белых чугунах  из жидкой фазы кристаллизуется первичный  аустенит, затем эвтектика-ледебурит.

При охлаждении чугуна в интервале  температур от 1147° С до 727°С аустенит обедняется углеродом, его состав изменяется по ES линии и выделяется вторичный цементит. При небольшом переохлаждении ниже 727° С аутенит состава точки S по эвтектоидной реакции распадается на перлит (Ф +Ц). Перлит имеет внешние очертания первичного аустенита и поэтому соответствующую структурную составляющую часто называют распавшимся, или превращенным аустенитом.

Вторичный цементит, выделяющийся по границам зерен первичного аустенита, сливается с цементитом ледебурита. Под микроскопом можно увидеть  только иглы вторичного цементита пронизывающие  превращенный аустенит (перлит).

Таким образом, при комнатной температуре  в доэвтектических белых чугунах  можно увидеть три структурные  составляющие - превращенным аустенит (перлит), ледебурит и вторичный  цементит.

 

Рис.1 Диаграмма  состояния железо-цементит.

2. Получение ковкого чугуна.

Получение изделий из ковкого чугуна принципиально отличается от технологии производства отливок из серых и  высокопрочных чугунов. Сначала  изготавливают отливку из белого чугуна, при этом используются его  высокие литейные свойства, позволяющие  получать плотные отливки сложной  формы. Затем эти отливки подвергают длительному «графитизирующему» отжигу по сжеме, приведенной на рис.2.

Первая стадия (950... 1050 °С) подбирается по длительности такой, чтобы весь цементит, находящийся  в структуре отливки, распался на аустенит и хлопьевидный графит. Процесс  графитообразования облегчается при  модифицировании (например, алюминием  и бором). Чугун, полученный таким  образом, называется модифицированным.

Рис. 2. Схема  отжига белого чугуна на ковкий

На второй стадии графитизирущего отжига при температуре  эвтектоидного превращения формируется  металлическая основа ковкого чугуна. В зависимости от режимов охлаждения ковкие чугуны могут иметь перлитную (непрерывное охлаждение), ферритную (очень медленное охлаждение в  интервале 760...720 °С или изотермическая выдержка при 720...700 °С) или ферритно-перлитную (сокращение продолжительности второй стадии отжига) металлические основы. Для получения в модифицированном ковком чугуне перлитной основы рекомендуется  увеличивать содержание марганца, хрома  и некоторых других элементов, которые  повышают устойчивость цементита к  распаду на феррит и пластинчатый графит в области температур эвтектоидного  превращения.

Для получения ковкого чугуна используют белый доэвтектический чугун (2,5 – 3,0 % С; 0,5 – 1,5 % Si; 0,3 – 1,0 % Mn; 0,08 – 0,2 % Р; не более 0,12 % S)

3. Свойства и причина их изменений.

При получении ковкого чугуна сначала делается отливка из белого чугуна со сравнительно низким содержанием углерода и кремния. Такой чугун очень хрупок, но после высокотемпературного отжига в течение суток его пластичность намного увеличивается. Увеличение пластичности обусловлено перераспределением углерода в металле, происходящим при отжиге. В белом чугуне углерод содержится в форме карбида железа Fe₃C. В процессе отжига карбид разлагается на железо и графит. Этот графит имеет вид малых сферических включений, которые, будучи отделены друг от друга, почти не снижают пластичность окружающей их железной матрицы. Металл, бывший до этой обработки твердым, хрупким и легкоплавким, приобретает все свойства железа — делается мягким, трудноплавким, способным к обработке и получает известную степень ковкости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа № 2

Вариант №9

1. Иглы форсунок, плунжеры и гильзы топливной аппаратуры автомобильных двигателей должны иметь высокую поверхностную твердость (НV 1000...1100) и износостойкость. Выбрать марку стали, объяснить роль легирующих элементов. Назначить способ поверхностного упрочнения, учитывая, что эти детали не должны деформироваться в процессе упрочняющей обработки. Описать превращения, совершающиеся в стали в процессе упрочнения, ее окончательную структуру и свойства.

Сталь 38Х2МЮА

 

Общие сведения - сталь конструкционная легированная.

Назначение - штоки клапанов паровых турбин, работающие при температуре до 450°С, гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, иглы форсунок, тарелки букс, распылители, пальцы, плунжеры, распределительные валики, шестерни, валы, втулки и другие детали.

Химический  состав

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	Al	Cu
0.35 - 0.42	0.2 - 0.45	0.3 - 0.6	до   0.3	до   0.025	до   0.025	1.35 - 1.65	0.15 - 0.25	0.7 - 1.1	до   0.3

 

Марка стали	Термическая обработка	Твердость		Толщина упрочненного слоя, мм
		Сердцевины, НВ	Поверхности, HRC
38X2МЮА	Закалка     940°С, отпуск 660°С, основная механическая обработка, отпуск 610°С, азотирование 510°С,(1 ступень) и 540°С (2 ступень)	229-269	Не менее 850	Не менее 0,2

 

Хром вводят в количестве до 2 %. Он растворяется в феррите и цементите, оказывая благоприятное влияние на механические свойства стали, что предопределило его широкое применение в конструкционных сталях.

Никель — наиболее пенный и в то же время наиболее дефицитный легирующий элемент. Его вводят в количестве от 1 до 5%.

Марганец вводят в количестве до 1,5% и используют нередко как заменитель никеля. Он заметно повышает предел текучести стали, однако делает сталь чувствительной к перегреву, поэтому для измельчения зерна вместе с ним вводят карбидообразующие элементы.

Кремний — некарбидообразующий элемент, количество которого ограничивают 2 %. Кремний сильно повышает предел текучести, несколько затрудняет разупрочнение стали при отпуске; снижает вязкость и повышает порог хладноломкости при содержании свыше 1%.

Молибден и вольфрам — дорогие и остродефицитные карбидообразующие элементы, которые большей частью растворяются в цементите. Основная цель введения 0,2-0,4% Мо и 0,8-1,2% W- уменьшение склонности к отпускной хрупкости второго рода, улучшение свойств комплексно-легированных сталей в результате измельчения зерна, повышения стойкости к отпуску, увеличения прокаливаемости.

Азотированию подвергают легированные стали 38X2МЮА для упрочнения сердцевины которых проводят 
термическое улучшение. Их выносливость определяется режимом азотирования и растет по мере увеличения толщины упрочненного слоя. Вследствие небольшой толщины слоя (0,3-0,6 мм), ограничивающей допустимые нагрузки, а также большой длительности процесса азотирование применяют реже, чем цементацию. Ему отдают предпочтение в тех случаях, когда нежелательна деформация деталей при упрочнении или требуется повышение коррозионной стойкости и высокая износостойкость поверхности.

Азотирование  стали. Азотированием называют процесс диффузионного насыщения азотом: поверхностной зоны деталей. Азотирование применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин (коленчатые валы, гильзы цилиндров, червяки, валики и др.)

До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют.

Обычное азотирование проводят при температуре 500-600°С в муфелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий аммиак. На стальной поверхности происходит реакция диссоциации аммиака с выделением ионов азота, которые адсорбируются поверхностью детали, а затем диффундируют вглубь.

При нагреве аммиака  в изолированном объеме возможна лишь реакция с образованием молекулярного азота,   который       не       может       диффундировать в сталь   без   ионизации.

Формирование структуры  азотированной зоны в углеродистых сталях происходит примерно так же, как при азотировании железа. По мере насыщения железа азотом при температуре ниже 590°С сначала образуется α-твердый раствор внедрения азота в железо, затем слой γ^’-фазы с ГЦК решеткой и упорядоченным расположением: атомов азота в центрах элементарных ячеек. Обычно процесс азотирования завершается образованием на поверхности слоя ε-фазы с ГПУ решеткой и упорядоченным расположением атомов в широком интервале  концентраций азота.

При медленном охлаждении после  азотирования вследствие переменной растворимости азота в α- и ε-фазах происходит выделение избыточной γ_II^’-фазы, и структура азотированной зоны от поверхности к сердцевине становится следующей : (ε + γ_II^’) - γ' - (α + γ_II^’) - α.

При азотировании углеродистых сталей с увеличением содержания углерода уменьшается скорость диффузии азота и возможно образование карбонитридных фаз.

Азотированная сталь, имеющая на поверхности слой ε-фазы, коррозионностойка в воде и в атмосферных условиях. В системе Fe-N и γ'-фазы имеют сравнительно невысокую твердость, соответственно HV 4500 и HV 5500 МПа.

При азотировании структуры диффузионной зоны легированных и углеродистых сталей аналогичны. Однако легирование изменяет состав фаз и температурные границы их образования; при изотермической выдержке в процессе азотирования могут образовываться двухфазные слои в диффузионной зоне. Установлено, что при азотировании упрочнение α-фазы в легированных сталях происходит по механизму старения пересыщенных твердых растворов. При образовании полностью когерентных зародышей нитридной фазы в α-фазе легированных сталей наблюдается максимальная твердость.

Высокие твердость и износостойкость  получаются после азотирования легированной стали 38Х2МЮА. Комплексное легирование хромом, алюминием и молибденом позволяет повысить твердость азотированного слоя до HV 12000. Молибден также устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования.

Процесс азотирования - весьма длительная операция. Так, при обычном азотировании стали 38Х2МЮА диффузионную зону толщиной около 0,5 мм получают при 500-520 °С за 55 ч выдержки. Такую же толщину зоны можно получить за 40 ч, если применить двухступенчатый режим азотирования: 510°С-15 ч и 550°С-25 ч.

2. Назначить марку стали для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания небольшой и средней мощности. При выборе сплава учесть, что клапаны (особенно выпускные) работают при высокой температуре в коррозионно-активной газовой среде. Привести химический состав, назначение легирующих элементов и режим термической обработки. Описать основные свойства сталей данного класса.

Сталь 40Х10С2М

Cильхром —  хромокремнистая сталь мартенситного  класса. Назначение: используется в  изготовления клапанов выпуска  автомобильных, тракторных и дизельных  моторов, крепёжные детали, колосники  для работы при температурах 650-850 °С. По отношению к сварке сталь  является трудносвариеваемой.

По условиям службы сталь клапанов должна быть стойкой  к окислению, обладать достаточной  твёрдостью, обеспечивающей хорошую  стойкость против истирания, быть достаточно вязкой и не давать преждевременных  усталостных разрушений вследствие циклической и ударной работы клапанов. Именно эти свойства и  заставили обратить внимание на 40Х10С2М, как на материал для ножевых и  клинковых изделий.

Температура начала интенсивного окалинообразования в  воздушной среде 850 °С, устойчива  в серосодержащих средах.

При закалке с  температур, лежащих выше критических, сталь 40Х10С2М приобретает мартенситную структуру с очень высокой  твёрдостью, а после отжига - структуру  зернистого перлита.

Химический состав стали 40Х10С2М (ЭИ107) по ГОСТ 5632-72 "Стали  высококачественные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные" должен соответствовать следующим требованиям, табл.1

 

 

Таблица 1 - Химический состав стали марки 40Х10С2М (ЭИ 107), %

C	Si	Mn	Ni	S	P	Сr	Mo	Ti	Cu
0.35 - 0.45	1.9 - 2.6	до 0.8	до 0.6	до 0.025	до 0.03	9 - 10.5	0.7 - 0.9	до 0.2	до 0.3