Шпаргалка по "Материаловедению"

1. На диаграмме состояния железо — углерод показано все разнообразие превращений, происходящих в сплавах от чистого железа до цементита, содержащего 6,67% углерода, при температурах от комнатной до температуры плавления железа и цементита. Цементит езС — химическое соединение железа с углеродом, которое образуется при кристаллизации сплава, содержащего 93,33% Fe и 6,67% С. Диаграмма имеет большое практическое применение при термической обработке и обработке металлов давлением. 
На упрощенной диаграмме по оси ординат отложены температуры, а по оси абсцисс — процентное содержание углерода в сплаве железо — углерод. Диаграмма ограничена левой и правой ординатами, на которых имеются следующие критические точки: А — соответствует температуре 1539° С, G — 911° С (левая ордината соответствует 100%-ному содержанию железа), D — 1600° С, F— 1147°С, К = 727° С (правая ордината соответствует 100%-ному содержанию Fe3C). Содержание углерода в сплаве 6,67% принимается предельным по таким соображениям: сплавы с большим содержанием углерода в промышленности применения не имеют, а указанное содержание углерода в сплаве соответствует образованию цементита.

Критические точки на диаграмме: Р — отвечает температуре 727°С с содержанием углерода 0,0025%, 5 — 727° С с содержанием углерода 0,8%; Е — 1147° С с содержанием углерода 2,14%; С — 1147°С с содержанием углерода 4,3%: К—727° С с содержанием углерода 6,67% и F — 1147° С с содержанием углерода 6,67%. Область диаграммы влево от вертикальной линии, отвечающей содержанию углерода, равному 2,14%, характеризует стали, а вправо — чугун. 
В верхней части диаграммы имеется линия Л CD, соответствующая температурам, выше которых сплавы с любым содержанием углерода (от 0 до 6,67%) находятся в жидком состоянии. Эта же линия соответствует температурам начала затвердевания жидких сплавов. Линия ACD является линией ликвидус, а линия AECF — солидус. Линии GSE и PSK диаграммы — области затвердевающего сплава — объясняют происходящие изменения структуры в системе сплава в твердом состоянии. В процессе охлаждения в сплавах происходят внутренние преобразования, при которых изменяется структура сплава. 
Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов в металлографии имеют особые названия и обладают характерными свойствами. К их числу относятся феррит, графит, цементит, аустенит, перлит и ледебурит. 
Феррит (чистое железо) обладает небольшой прочностью, невысокой твердостью (НВ 80—100), сравнительно небольшой вязкостью и до температуры 768° С магнитными свойствами. 
Графит — одно из видоизменений углерода. Углерод в виде тончайших пластинок графита выделяется при медленном охлаждении чугуна (так называемый серый чугун). 
Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом РезС и иначе называется карбидом железа. Цементит обладает весьма высокой твердостью (около НВ 800), очень хрупкий и содержит по массе 6,67% углерода. Таким образом, предельное содержание углерода, принятое при построении диаграммы, соответствует цементиту. 
Аустенит представляет собой твердый раствор углерода в железе, образующийся при содержании углерода в сплаве до 2,14%. В стали аустенит существует только при высокой температуре (свыше 727° С). При медленном охлаждении сплава аустенит распадается на феррит и цементит. При быстром охлаждении аустенит не успевает распасться. Частичный распад аустенита дает промежуточные структуры сплава — мартенсит, троостит и сорбит. Эти промежуточные структуры представляют наибольший интерес при рассмотрении термической обработки. 
Перлит образуется при распадении аустенита, содержащего 0,8% углерода. Структура перлита имеет вид перемешанных очень мелких светлых и темных частичек в виде пластинок или зерен; в соответствии с этим первый называется пластинчатым, а второй — зернистым. Темные частички являются ферритом, а светлые — цементитом. Перлит обладает достаточно высокой вязкостью и невысокой твердостью (около НВ 200). 
Ледебурит представляет собой механическую смесь аустенита и цементита лри содержании углерода в сплаве 4,3%. Такую смесь называют эвтектикой. Ледебурит обладает высокой твердостью и хрупкостью (так называемый белый чугун). 
Температура плавления сплава по мере увеличения содержания углерода понижается (линия АС), достигая наименьшего значения в точке Су соответствующей 1147° С; для сплава с содержанием углерода 4,3% при дальнейшем увеличении содержания углерода повышается (линия CD), достигая 1600° С при содержании углерода 6,67% (см. рис. 5). 
Линия AECF соответствует температурам конца затвердевания жидкого сплава. Если сплав содержит углерода меньше 4,3%, затвердевание его происходит в интервале температур между линиями АС и АЕСУ при этом из сплава выделяются кристаллы твердого раствора аустени-та. Если в сплаве содержание углерода больше 4,3%, то он затвердевает между линиями CD и CF, при этом выделяются кристаллы цементита. Ниже линии AECF все сплавы находятся в твердом состоянии в виде стали или чугуна. При дальнейшем охлаждении стали аустенит начинает распадаться, выделяя феррит или цементит, в зависимости от содержания углерода. Начало распада аустенита происходит в зависимости от содержания углерода при температурах, соответствующих линии GSE, и закапчивается при одной и той же температуре (727° С) для всех сплавов независимо от содержания углерода, что показано на диаграмме прямой РК- Линия PSK называется эвтектоидной, ниже ее превращения в сплавах не происходят. При содержании в стали углерода 0,8% аустенит в точке S преобразуется в перлит. В соответствии с этим сталь такого класса называется перлитной или эвтектоид-ной, а точка называется эвтектоидной. При содержании углерода менее 0,8% в области между линиями GS -и PS из аустенита будет выделяться феррит до тех пор, пока концентрация углерода не достигнет 0,8%, после чего оставшийся аустенит перейдет в перлит при температуре 727° С. 
Таким образом? структура стали, содержащей углерода менее 0,8%, будет состоять из механической смеси феррита с перлитом.Если содержание углерода в аустените больше 0,8%, то в области между линиями SE и SK из аустенита будет выделяться цементит, в связи с чем процентное содержание углерода в аустените будет уменьшаться, и когда оно достигнет 0,8%, аустенит при температуре 727° С перейдет в перлит. Структура такой стали будет состоять из цементита и перлита. Сталь при достаточно медленном охлаждении может иметь одну из трех структур, зависящих от содержания в ней углерода: при содержании углерода до 0,8% структура стали представляет собой механическую смесь феррита и перлита; при содержании углерода 0,8% структура стали — перлит; при содержании углерода более 0,8% структура стали представляет смесь цементита с перлитом. 
Однако такие структуры сталь преобретает лишь в случае медленного охлаждения. Если же сталь, нагретую выше линии GSE> охладить с достаточно большой скоростью, то распад аустенита не успевает произойти и

В зависимости от скорости охлаждения сталь приобретает промежуточную структуру, не соответствующую диаграмме. Это свойство стали используют при термической обработке.

2 Волочение медной проволоки проводят в несколько переходов. В некоторых случаях проволока на  последних переходах разрывается. Объясните причину разрыва и укажите способ его предупреждения

Волочением называется способ обработки  металла давлением, при котором  обрабатываемый металл в виде полосы с одинаковым поперечным сечением вводится в канал волочильного инструмента  и протягивается 
(проволакивается) через него. Этот канал имеет поперечные сечения, одинаковые по своей форме или близкие к форме поперечного сечения протягиваемого металла, но плавно уменьшающиеся от места входа металла в инструмент к месту его выхода. Перед волочением на специальном станке заостряют передний конец полосы, предназначенной для обработки, с таким расчетом, чтобы конец легко входил в волоку и частично выходил с ее противоположной стороны. Этот конец захватывают специальным механизмом и протягивают.

В некоторых специальных случаях, когда деформируемый металл обладает недостаточной пластичностью, при  комнатной температуре или высоким  сопротивлением деформированию, волочение  ведут в предварительно нагретом состоянии. Например, при волочении  цинковой проволоки для увеличения пластичности заготовки ее предварительно подогревают до 80—90°, погружая моток  в нагретую воду. В очаге деформации температура проволоки доходит  до 120—150°, т. е. до температуры, при которой  образуется максимальное количество систем скольжения. 
Твердые и малопластичные сплавы (например, легированная сталь, нихром, бронза, вольфрам и т. п.), а также малопрочные металлы (например, свинец), протягивают с малыми скоростями. Наибольшие скорости применяют при волочении медной проволоки

Основными недостатками этого метода нагружения, препятствующими его массовому применению, являются: понижение пластичности обрабатываемого металла и необходимость после каждого сравнительно небольшого растяжения подвергать обрабатываемый металл отжигу. 
При обычном методе волочения частые отжиги не являются необходимыми; так, например, медь можно протягивать без отжига с суммарной деформацией, доходящей до 99% (20—25 переходов). Однако если отсутствуют волоки или имеются другие препятствия применению обычного метода волочения, «бесфильерное волочение» может дать надлежащие технические результаты.

Влияние нагрева на структуру и  свойства деформированного металла: возврат  и рекристаллизация

Деформированный металл находится  в неравновесном состоянии. Переход  к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в  кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

При низких температурах подвижность  атомов мала, поэтому состояние наклепа  может сохраняться неограниченно  долго.

При повышении температуры металла  в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – возврат и рекристаллизация.

Возврат. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической  решетки

Процесс частичного разупрочнения  и восстановления свойств называется отдыхом (первая стадия возврата). Имеет  место при температуре

Возврат уменьшает искажение кристаллической  решетки, но не влияет на размеры и  форму зерен и не препятствует образованию текстуры деформации. 
Полигонизация – процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций. 
При температурах возврата возможна группировка дислокаций одинаковых знаков в стенки, деление зерна малоугловыми границами (рис. 2). 
В полигонизированном состоянии кристалл обладает меньшей энергией, поэтому образование полигонов — процесс энергетически выгодный. 
Процесс протекает при небольших степенях пластической деформации. В результате понижается прочность на (10…15) % и повышается пластичность (рис.3). Границы полигонов мигрируют в сторону большей объемной плотности дислокаций, присоединяя новые дислокации, благодаря чему углы разориентировки зерен увеличиваются (зерна аналогичны зернам, образующимся при рекристаллизации). Изменений в микроструктуре не наблюдается (рис.4 а). Температура начала полигонизации не является постоянной. Скорость процесса зависит от природы металла, содержания примесей, степени предшествующей деформации.

При нагреве до достаточно высоких  температур подвижность атомов возрастает и происходит рекристаллизация.

Рекристаллизация – процесс  зарождения и роста новых недеформированных  зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры. 
Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность. 
1 стадия – первичная рекристаллизация (обработки) заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен. 
Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой. 
стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.

Движущей силой является поверхностная  энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому  имеется большой запас поверхностной  энергии. При укрупнении зерен общая  протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.

Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления,

для металлов   для твердых растворов  для металлов высокой чистоты  

На свойства металла большое  влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. В результате образования крупных  зерен при нагреве до температуры t1 начинает понижаться прочность и, особенно значительно, пластичность металла. 
Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации (рис. 5).

С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением  времени выдержки зерна также  укрупняются. Наиболее крупные зерна  образуются после незначительной предварительной  деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической. И такая деформация нежелательна перед проведением  рекристаллизационного отжига. 
Практически рекристаллизационный отжиг проводят дпя малоуглеродистых сталей при температуре 600…700oС, для латуней и бронз – 560…700oС, для алюминевых сплавов – 350…450oС, для титановых сплавов – 550…750oС.

 

3 Расшифруйте химический состав сплава 30ХГСА, укажите вид поставки, назначение

 

Марка :	30ХГСА
Заменитель:	40ХФА, 35ХМ, 40ХН, 25ХГСА, 35ХГСА
Классификация :	Сталь конструкционная легированная
Дополнение:	Сталь хромокремнемарганцовая.
Продукция, предлагаемая предприятиями-рекламодателями:   Нет данных.
Применение:	Различные улучшаемые детали: валы, оси, зубчатые колеса, фланцы, корпуса  обшивки, лопатки компрессорных  машин, работающие при температуре  до 200°С, рычаги, толкатели, ответственные сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках, крепежные детали, работающие при низких температурах.
Зарубежные аналоги:	Известны

 

 
 
Химический  состав в % материала   30ХГСА

ГОСТ   4543 - 71 

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.28 - 0.34	0.9 - 1.2	0.8 - 1.1	до   0.3	до   0.025	до   0.025	0.8 - 1.1	до   0.3

Примечание: Также хим. состав указан в ГОСТ 10543-98

 
 
Температура критических точек  материала 30ХГСА.

Ac1 = 760 ,      Ac3(Acm) = 830 ,       Ar3(Arcm) = 705 ,       Ar1 = 670 ,       Mn = 352

 
 
Технологические свойства материала 30ХГСА .

Свариваемость:	ограниченно свариваемая.
Флокеночувствительность:	чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	склонна.

 

Механические  свойства при Т=20^oС материала 30ХГСА .

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Трубы, ГОСТ 8731-87			686		11
Трубы холоднодеформир., ГОСТ 8733-74			491		18
Пруток, ГОСТ 4543-71	Ø 25		1080	830	10	45	490	Закалка 880oC, масло, Отпуск 540oC, вода,
Лист толстый, ГОСТ 11269-76			490-740		20			Нормализация
Лист толстый, ГОСТ 11269-76			1080		9		490	Закалка и отпуск
Лист тонкий, ГОСТ 11268-76			490-740		20			Нормализация
Лист тонкий, ГОСТ 11268-76			1080		10			Закалка и отпуск