Контрольная работа по "Материаловедению"

Вариант 46

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Для магния (температура плавления 650 °С) назначьте

режимы холодного и горячего деформирования, подробно

объясните сущность процессов, протекающих при этом,

а также изменения структуры и свойств металла   3

2. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа,

укажите структурные составляющие во всех областях

диаграммы, опишите фазовые и структурные превращения

в сплаве, содержащем 4,9% углерода, при охлаждении из

жидкого состояния. Постройте кривую охлаждения для

этого сплава. Укажите название и структуру сплава при

комнатной температуре. По правилу отрезков определите

количественное соотношение фаз в сплаве при

температуре 1180 °С        5

3. Использую диаграмму железо-карбид железа, установите

температуру нормализации, закалки и отжига для стали У12.

Охарактеризуйте режимы обработки, укажите, с какой целью

назначается каждый режим. Опишите структуру стали после

каждого вида обработки       11

4. В результате обработки шестерни должны получить твёрдую

износостойкую поверхность и вязкую сердцевину. Для их

изготовления использована сталь 25ХГМ. Расшифруйте марку,

приведите примерный химический состав. Назначьте режим

химико-термической и упрочняющей  термической обработки.

Опишите сущность происходящих при термообработке

превращений, микроструктуру и свойства поверхности

и сердцевины шестерни после всей обработки    14

5. Какие группы легирующих элементов в титановых сплавах

вы знаете? Каково их влияние на свойства? Приведите

классификацию титановых сплавов по структуре в

равновесном состоянии       17

Литература          20

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Для магния (температура плавления 650 °С) назначьте режимы холодного и горячего деформирования, подробно объясните сущность процессов,  протекающих при этом, а также изменения структуры и свойств металла

 

 

В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают холодную и горячую деформацию.

Холодная деформация характеризуется изменением формы зерен, которые вытягиваются в направлении наиболее интенсивного течения металла (рис.1, а). При холодной деформации формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Это явление называют упрочнением (наклепом) (механизм рассмотрен выше).

Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла, не необратимы. Они могут быть устранены, например, с помощью термической обработки (отжигом).

Формоизменение заготовки при температуре выше температуры рекристаллизации сопровождается одновременным протеканием упрочнения и рекристаллизации.

Горячей деформацией называют деформацию, характеризующуюся таким соотношением скоростей деформирования и рекристаллизации, при котором рекристаллизация успевает произойти во всем объеме заготовки и микроструктура после обработки давлением оказывается равноосной, без следов упрочнения (рис.1, б).

Следует отметить, что рекристаллизация протекает не во время деформации, а сразу после ее окончания и тем быстрее, чем выше температура. При очень высокой температуре, значительно превышающей температуру рекристаллизации, она завершается в секунды и даже доли секунд.

Чтобы обеспечить условия протекания горячей деформации, приходится с увеличением ее скорости повышать температуру нагрева заготовки (для увеличения скорости рекристаллизации).

При горячей деформации сопротивление деформированию примерно в 10 раз меньше, чем при холодной деформации, а отсутствие упрочнения приводит к тому, что сопротивление деформированию (предел текучести) незначительно изменяется в процессе обработки давлением. Этим обстоятельством объясняется в основном то, что горячую обработку применяют для изготовления крупных деталей, так как при этом требуются меньшие усилия деформирования (менее мощное оборудование).

При горячей деформации пластичность металла выше, чем при холодной деформации. Поэтому горячую деформацию целесообразно применять при обработке труднодеформируемых, малопластичных металлов и сплавов, а также заготовок из литого металла (слитков). В то же время при горячей деформации окисление заготовки более интенсивно (на поверхности образуется слой окалины), что ухудшает качество поверхности и точность получаемых размеров.

Холодная деформация без нагрева заготовки позволяет получать большую точность размеров и лучшее качество поверхности по сравнению с обработкой давлением при достаточно высоких температурах. Отметим, что обработка давлением без специального нагрева заготовки позволяет сократить продолжительность технологического цикла, облегчает использование средств механизации и автоматизации и повышает производительность труда.

а)       б)

Рисунок 1 - Схема изменения микроструктуры металла при прокатке:

а) холодная пластическая деформация;

б) горячая пластическая деформация

 

Для каждого металла и сплава существует своя температурная область холодной и горячей обработки давлением. Пластическое деформирование железа при 600° С следует рассматривать как горячую обработку, а при 400 °С - как холодную. Для свинца и олова пластическое деформирование даже при комнатной температуре является по существу горячей обработкой, так как температура 20° С выше температуры рекристаллизации этих металлов. Эти металлы в практике называют не накаливаемыми, хотя при деформировании у них образуются линии сдвига (что показывает, например, характерный хруст оловянной пластинки при ее изгибании).

Температуру рекристаллизации  можно рассчитать по приблизительной формуле   Трек=0,4Тпл

Для магния  Трек=0,4Тпл =0,4 × 650 = 260 °С

Температура горячей обработки для магния – 300 °С

холодной обработки  - 200 °С.

 

 

 

 

2. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите фазовые и структурные превращения в сплаве, содержащем 4,9% углерода, при охлаждении из жидкого состояния. Постройте кривую охлаждения для этого сплава. Укажите название и структуру сплава при комнатной температуре. По правилу отрезков определите количественное соотношение фаз в сплаве при температуре 1180 °С

 

 

Диаграмма железоуглеродистых сплавов может быть представлена в двух вариантах: метастабильном, отражающем превращения в системе “железо-карбид железа”, и стабильном, отражающем превращения в системе “железо-графит”. Наибольшее практическое значение имеет диаграмма состояния “железо-карбид железа”, т.к. для большинства технических сплавов превращения реализуются по этой диаграмме. Карбид железа (Fe3C) называют цементитом, поэтому метастабильную диаграмму железоуглеродистых сплавов называют диаграммой состояния “железо-цементит” (Fe-Fe3C).

Компоненты и фазы в железоуглеродистых сплавах

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод, которые относятся к полиморфным элементам. В железоуглеродистых сплавах эти элементы взаимодействуют, образуя различные фазы. Под фазой в общем смысле понимается однородная часть системы, имеющая одинаковый химический состав, физические свойства и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Взаимодействие железа и углерода состоит в том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Помимо этого он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом в железоуглеродистых сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, цементит.

Диаграмма состояния железо-цементит представлена на рис.2.

Компонентами в данной системе являются- железо и цементит.

Железо: металл серебристо-белого цвета. Температура плавления железа 1539°С. Железо имеет две кристаллографические модификации: кубическую объемно-гентрированную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК) кристалллические решетки. Железо с ОЦК решеткой существует в двух температурных иннах: до 911 °С и от 1392°С до 1539 °С. До температуры 768 °С железо ферромагнитно и его называют a-железо (a-Fe), а выше этой температуры - парамагнитно.

Критическую точку (768°С), соответствующую магнитному превращению, т.е. переходу из ферро-магнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри и обозначают А2.Парамагнитное железо с ОЦК решеткой обозначают b-железо (b-Fе). А железо в интервале температур 1392-1539 °С обозначают железо (d-Fe). В настоящее время нередко не различают a-Fe, b-Fe и d-Fe и называют железо с ОЦК решеткой - a-Fe различая только низкотемпературное a-Fe и высокотемпературное Fe. Период ОЦК решетки зависит от температуры: у низкотемпературного a-Fe-0,28606 нм, а у высокотемпературного a-Fe- 0,3649 нм.

                                                                                                 

Рисунок 2 - Диаграмма состояния железо-цементит

 

В интервале температур 911°-1392°С железо имеет ГЦК-решетку и называется g-железо (g-Fe). Критическую точку (G рис. 1) превращения при 911°С обозначают АЗ, а критическую точку ( рис. 1) a«g при 1392°С обозначают А4. Период ГЦК решетки равен 0,364 нм. ГЦК решетка более, компактна, чем ОЦК решетка. В связи с этим при переходе a-Fe в g-Fe объем железа уменьшается приблизительно на N%. g-Fe парамагнитно.

Железо может растворять различные элементы, образуя с неметаллами твердые растворы внедрения, а с металлами твердые растворы замещения. Механические свойства технического железа характеризуются следующими величинами: предел прочности при растяжении d=120МПа. Относительное удлинение d=50%, относительное сужение y=85% твердость НВ 80. Эти показатели могут изменяться в некоторых пределах, т.к. на свойства железа влияет размер зерна, температура, наличие примесей.

Цементит (обозначают Ц) - карбид железа (практически постоянного состава) химическое соединение углерода с железом - Fe3С, содержащее углерода 6,67%. Цементит имеет сложную ромбическую peшетку с плотной упаковкой атомов.

Цементит слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при температуре 210°С (критическая точка Ао). Температуру плавления цементита трудно, определить в связи с его распадом при нагреве. Она установлена равной 1260°С при нагреве лазерным лучем.

Механические свойства характеризуются высокой твердостью (>НВ800), но чрезвычайно низкой, практически нулевой, пластичностью. Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов, а атомы железа - металлами. Такой твердый раствор на базе цементита называется легированным цементитом.

На диаграмме Fe- Fe3С присутствуют следующие фазы: жидкий раствор (L), феррит ( ф, Fe ),аустенит (А, Fe (с)) и цементит (Ц).

Феррит - твердый раствор углерода в a-железе. Предельная растворимость углерода в низкотемпературном a-Fe=0,02 % (т. P рис. 2), а в высокотемпературном a-Fe= 0,1 % (т. Н рис. 1). Столь низкая растворимость углерода в a-Fe обусловлена малым размером межатомных пар в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях).

Феррит - мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: t= 300 МПа; d= 40%; y=70%; KCU = 2,5 МДж/м2; НВ 80-100.

Аустенит - твердый раствор углерода в g-железе. Предельная растворимость углерода в g-Fe= 2,14% (т. Е рис.2).

Механические свойства аустенита характеризуются меньшей пластичностью и большей прочность и твердостью (НВ 160-200), чем у феррита.

Линии диаграммы (рис.2):

1. АВСD - линия ликвидус

АНJECFD - линия солидус.

HJB - линия перитектического превращения (t °C - 1499°С).

В результате перитектической реакции образуется аустенит:

Реакция наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от 0,1 до 0,51%. Причем, в сплавах, содержащих углерода от 0,1% до 0,16% после завершения реакции в избытке остается феррит, а в сплавах, содержащих углерода от 0,16% до 0,51% в избытке остается жидкость. Это связано с тем, что перитектическая реакция протекает при строгом количественном соотношении фаз, если какой-то из фаз вступает в реакцию больше оптимального количества - то она остается в избытке. Необходимое количество реагирующих фаз в данной системе определяется т. J (рис.1)

4.ECF - линия эвтектического превращения ( t°C - 1147°C).

В результате эвтектической реакции из жидкой фазы образуется смесь аустенита и цементита. Эта эвтектическая смесь называется ледебуритом (Л)

Реакция протекает у всех сплавов системы, содержащих углерода более 2,14%. Состав смеси при температуре 727°С изменяется, т.к. аустенит превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит-смесь перлита и цементита. В ледебурите цементит, образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (> НВ 700) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.