Контрольная работа по "Материаловедению"

 

Диаграмма состояния Ag – Cu (рисунок 5) относится к системам эвтектического типа с ограниченной растворимостью компонентов друг в друге. Для эвтектической температуры даны значения 778 - 779°С, а для эвтектической концентрации – значения 39,8;  39,9; 40,4;  40,9 % Cu. Температура эвтектического равновесия Ж = (Ag) + (Cu) составляет 781°С. Эвтектика содержит 39,8 % (ат.) Cu. Максимальная растворимость Cu в Ag равнв 13,6% (ат.), а максимальная растворимость Ag в Cu – 4,9% (ат.).

 

Рисунок 5 – Диаграмма состояния Ag – Cu.

Фазовые превращения для сплава 30%Ag+70%Cu (по массе) при охлаждении:

1. ED

Жидкая фаза, количество фаз – 1, число степеней свободы − 2

2. DC

Выделение твердого раствора серебра в меди из жидкой фазы, количество фаз – 2, число степеней свободы – 1.

3. CB

Эвтектическая реакция, выделение эвтектики из жидкой фазы с полным исчезновением  жидкой фазы, количество фаз – 3, число  степеней свободы – 0.

4. BA

Охлаждение  двухфазной смеси серебра и меди: зерен, состоящих из твердого раствора серебра в меди (будет происходить выделение серебра из твердого раствора серебра в меди в связи с уменьшением растворимости серебра в меди при уменьшении температуры) и зерен, состоящих из эвтектики.

 

При температуре  для данного сплава будет сосуществовать жидкая фаза и твердая фаза – твердый раствор серебра в меди. Состав фаз и их количество определим по правилу рычага.

Состав жидкой фазы отвечает точке K: 33% Cu (по массе), состав твердого раствора серебра в меди соответствует точке M: 92% Cu (по массе).

Количество  жидкой фазы:

 

Количество  твердой фазы (Тв. р-р Ag в Cu):

 

 

4. Охарактеризуйте обыкновенные серые чугуны, их состав, микроструктуру, свойства, применение и маркировку по ГОСТу.

 

Состав  и свойства

К чугунам относятся  сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,14%, В этих сплавах  обычно присутствует также кремний  и некоторые количества марганца, серы и фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний и др.

В зависимости  от структуры чугуны подразделяют на белые и серые. В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение карбид железа Fe3C - цементит. В серых чугунах значительная часть углерода находится в структурно-свободном состоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твердостью и режущим инструментом обрабатываться не могут. Поэтому белые чугуны для изготовления изделий применяют крайне редко, их используют главным образом в виде полупродукта для получения так называемых ковких чугунов. Получение белого или серого чугуна зависит от его состава и скорости охлаждения.

В зависимости  от структуры чугуны классифицируют на высокопрочные (с шаровидным графитом) и ковкие. По степени легирования  чугуны подразделяют на простые, низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (2,5- 10% легирующих элементов) и высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов). Шире всего используют простые и низколегированные серые литейные чугуны.

Чугун получил  широкое распространение как  конструкционный материал в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности в связи с рядом  преимуществ перед Другими материалами, среди которых в первую очередь  надлежит упомянуть следующие: невысокая стоимость, хорошие литейные свойства. Изделия, изготовленные из него, имеют достаточно высокую прочность и износостойкость при работе на трение и характеризуются меньшей, чем сталь чувствительностью к концентраторам напряжений. Наряду с перечисленными преимуществами изделия из серого литейного чугуна хорошо обрабатываются режущим инструментом. Последнее вместе с хорошими литейными свойствами позволяет оценить чугун как весьма технологичный материал.

Главный процесс, формирующий структуру чугуна, - процесс графитизации (выделение углерода в структурно-свободном виде), так как от него зависит не только количество, форма и распределение графита в структуре, но и вид металлической основы (матрицы) чугуна. В зависимости от степени графитизации матрица может быть перлитно-цементитной (П -f- Ц), перлитной (П), перлитно-ферритной (П Ч- Ф) и ферритной (Ф). Цементит перлита называют эвтектоидным, остальной цементит - структурно-свободным. Некоторые элементы, вводимые в чугун(в порядке силы действия: С, Si, Ni, Co, Cu ), способствуют графитизации, другие - препятствуют(S, V, Cr, Sn, Mo, Mn). Наибольшее графитизирующее действие оказывают углерод и кремнии, наименьшее - кобальт и медь.

Наиболее сильно задерживают процесс графитизации (оказывают отбеливающее действие) сера, ванадий, олово. Поэтому в серых литейных чугунах всегда содержится значительное количество кремния.

 Серый чугун — наиболее широко применяемый вид чугуна (машиностроение, сантехника, строительные конструкции) — имеет включения графита пластинчатой формы. Для деталей из серого чугуна характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагружениях и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2—4 раза выше, чем у стали). Важная конструкционная особенность серого чугуна — более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства чугуна. Свойства серого чугуна зависят от структуры металлической основы, формы, величины, количества и характера распределения включений графита. Перлитный серый чугун имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и т.д. Для менее ответственных деталей используют серый чугун с ферритно-перлитной металлической основой.

Серый чугун благодаря хорошим литейным свойствам и достаточной механической прочности является одним из распространенных литейных сплавов. Из серого чугуна получают методом отливки всевозможные заготовки, применяемые в различных областях машиностроения и быта. Серый чугун представляет собой сплав железа с углеродом и кремнием. Кроме того, в нем присутствуют в небольших количествах марганец, фосфор, сера и другие элементы (Табл. 1).

 

Таблица 1 - Химический состав серого чугуна

Углерод	Кремний	Марганец	Фосфор	Сера	Хром	Никель	Железо
3,2-3,5	2,3-2,6	0,5-0,8	0,15-0,60	до 0,12	0,01-0,02	0,05-0,1	остальное

 

Углерод в расплавленном  чугуне находится в растворенном состоянии в виде мельчайших частиц, равномерно распределенных по всей массе сплава. В процессе затвердевания жидкого чугуна происходит выделение углерода из раствора. В твердом чугуне углерод может находиться в виде химического соединения F₃C (цементита) следующего состава: 6,67%С и 93,33 % Fe.

Цементит образуется при быстром охлаждении чугуна и  представляет собой очень твердое  и хрупкое соединение белозеркального  цвета в изломе.

Когда чугун  охлаждается медленно, углерод из раствора выделяется в виде пластинчатого (чешуйчатого) графита. Чугуны с пластинчатым графитом в изломе имеют серый цвет. Выделяясь в виде пластинок разных размеров и форм, малопрочный графит как бы ослабляет сплав, придавая серому чугуну хрупкость и снижая его механические свойства. Чем крупнее пластинки графита, тем чугун получается более хрупким и с более низкими механическими свойствами. Выделение углерода из раствора в виде свободного графита и в виде химического соединения цементита происходит не полностью, часть его до 0,04% остается в растворенном состоянии в металлической части чугуна, называемой ферритом.

Феррит представляет собой почти чистое железо и имеет  низкую твердость и прочность, но высокую вязкость.

Перлит образуется из феррита и мелких зерен цементита  с общим содержанием углерода 0,87%. Сочетая свойства феррита и цементита, перлит обладает высокими механическими свойствами.

Кремний, находящийся в чугуне, способствует выделению углерода (графитизации) и, снижая твердость, улучшает литейные свойства. Марганец препятствует графитизации, увеличивая стойкость цементита, несколько улучшает литейные и механические свойства чугуна.

Фосфор и сера в машиностроительном литье являются вредными примесями. Фосфор придает чугуну хладноломкость (хрупкость), несколько увеличивая его жидкотекучесть. Чугуны с высоким содержанием фосфора применяют для художественного литья, где не требуется высокая прочность. В машиностроительных сортах качественного чугуна содержание фосфора не должно превышать 0,20%. Сера препятствует выделению графита и придает чугуну красноломкость, т. е. способность образовывать трещины при повышенных температурах. Содержание серы в чугуне не должно превышать 0,12%.

За последнее  время в литейном производстве находят  все более широкое применение высокопрочные марки чугуна, полученные путем добавки (модифицирования) в жидкий чугун магния, церия, силикокальция и других присадок. Присадки способствуют образованию в чугуне графита шаровидной формы, что значительно повышает его механические свойства.

Все серые чугуны, применяемые в промышленности, маркируются в зависимости от механических свойств согласно ГОСТ 3443—57 и ГОСТ 1412—54.

Марка серого чугуна, например СЧ 18—36, расшифровывается следующим  образом: буквы СЧ — серый чугун, первая цифра указывает на предел прочности при растяжении для данного чугуна, а вторая — предел прочности при изгибе. Высокопрочные чугуны, например ВЧ 60—2, маркируются по ГОСТ 7293— 54 (буквы ВЧ обозначают высокопрочный чугун, первые две цифры указывают предел прочности при растяжении, а последняя — величину относительного удлинения).

 

Маркировка  чугуна

Чугун маркируется  буквами СЧ и цифрами, первая из которых  характеризует предел прочности  чугуна данной марки при растяжении, вторая - при изгибе (кг/мм2). Наибольшее распространение получили чугуны марок: СЧ12-28; СЧ15-32; СЧ18-36; СЧ 21-40; СЧ 24-44; СЧ 28-48; СЧ 32-52; СЧ 38-60, причем первые пять марок имеют перлитно-ферритную металлическую основу, последние три - перлитную. Прочность серых чугунов всех марок при сжатии значительно превышает прочность при растяжении. Например, для чугуна марки СЧ 24-44, имеющего предел прочности при растяжении 24 кгс/мм2, предел прочности при сжатии составляет 85 кгс/мм2. Для увеличения прочности чугуна графитовым включением придают шарообразную форму путем введения магния в ковш перед разливкой. При этом чугун приобретает и некоторую пластичность. Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрами, первая из которых характеризует временное сопротивление чугуна при растяжении (кгс/мм2), вторая - относительное удлинение (%). Например, ВЧ 60-2 или ВЧ 40-10.

 

Микроструктура  серого чугуна

Диаграмма состояния  сплавов системы железо — графит характеризует образование структур чугуна, в котором весь углерод  находится в свободном состоянии  в виде графита, т. е. нет цементита и структура феррито-графитная (рис. 5, а).

Рисунок 5. Микроструктура чугунов.

а – серый  ферритный, б – серый феррито  – перлитный, в – серый перлитный, г – половинчатый со структурой перлит+цементит (вторичный) + графит, ×500

 

Однако практика производства чугунных отливок показывает, что, кроме белых и феррито-графитных  чугунов, в реальных условиях получаются чугуны, в структуре которых имеются  и графит, и цементит, т. е. часть  углерода находится в свободном, а часть — в связанном состоянии.

В производственных условиях получают чугуны со следующими структурами:

1. Феррит + перлит + графит (серый феррито-перлитный  чугун). Структура таких чугунов  показана на рис. 5, б. Поскольку перлит состоит из феррита и цементита, следовательно, в этом чугуне есть и цементит, и графит.

2. Перлит + графит (серый перлитный чугун). Структура  такого чугуна показана на  рис. 5, в; в этом чугуне, поскольку в перлит входит цементит, имеется цементит и графит.

3. Перлит + цементит -f- графит (рис. 5, г) или перлит + ледебурит + графит. Ледебурит состоит из цементита и перлита. В этих чугунах также имеется и цементит, и графит (такие чугуны называют половинчатыми).

Кристаллизация  указанных структур не может быть объяснена только одной из рассмотренных  диаграмм состояний (Fe — Fe3C или железо—графит). При образовании этих структур идет смешанная кристаллизация по обеим системам: графитной (Fe — С) и цементитной (Fe — Fe3C).

Это объясняется  так: кристаллизация начинается по графитной  системе и выделяется какое-то количество графита, но для того, чтобы все время выделялся графит, требуется весьма замедленное охлаждение, при этом чем ниже температура, тем скорость охлаждения, необходимая для кристаллизации графита, должна быть меньше, так как с понижением температуры скорость всех диффузионных процессов, в том числе и кристаллизации графита, уменьшается.

Если при  какой-то температуре скорость охлаждения больше скорости, обеспечивающей выделение  графита, то выделение графита полностью  или частично прекращается, сплав по отношению к условиям кристаллизации графита оказывается переохлажденным, что способствует выделению цементита. Это означает, что кристаллизация с графитной системы переходит на цементитную, т. е. процесс кристаллизации становится смешанным.

 

 

5. Расшифровать марку стали Ст. 5 сп. Укажите её назначение.

 

Ст5  - сталь углеродистая обыкновенного качества. Механические свойства при Т=20^oС Ст5сп: s_В = 500 – 640 МПа; d = 19%

Используется  для деталей клепанных конструкций, болтов, гаек, ручек, тяг, ходовых валиков, втулок, цапф, рычагов, упоры, штырей, пальцев, стержней, звездочек, и других деталей, работающие в интервале от 0 до +425 град С; поковок сечением до 800 мм. Ниже приведен химический состав стали.

 

Таблица 2 –  Химический состав стали Ст 5 пс, сп. по ДСТУ 2651

С	Mn	Si	S	P
0,28 – 0,37	0,50 – 0,80	пс = 0,05 – 0,15 сп = 0,15 – 0,30	≤ 0,050	≤ 0,040