Контрольная работа «материаловедение»

Министерство образования Российской Федерации

 

Автономная  некоммерческая организация высшего профессионального образования

 

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ОТКРЫТЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра материаловедения

 

 

 

 

Контрольная работа

По дисциплине: «материаловедение»

 

 

 

Студент

Курс: 3

Специальность: 190700

Шифр: 130306

Проверил преподаватель:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2014 г.

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ:

 

Задание №1

Задание №2

Задание №3

Задание №4

Задание №5

 

Список использованной литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание №1

 

Условие:

Сталь марки 50  после одного вида термической обработки получила структуру феррит+пластинчатый перлит, после второго – мартенсит+феррит и после третьего - мартенсит. Указать,  какие виды термической обработки применены в каждом случае. Определить по диаграмме железо-цементит, до какой области температур была нагрета сталь при каждом виде термической обработки, и указать, какие превращения она претерпела в процессе охлаждения в каждом из трех случаев.

 

Ответ:

Железоуглеродистые сплавы - основные конструкционные материалы, которые используются в машиностроении, транспорте и других отраслях народного хозяйства. Изменяя состав и структуру, получают сплавы с самыми разнообразными свойствами, что и делает их универсальными конструкционными материалами. О структуре железоуглеродистых сплавов в зависимости от содержания углерода и температуры, а также о возможности изменения микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства сплавов, судят по диаграмме состояния системы железо-углерод. Диаграмма железо-цементит, рис. 1:

 

Рис. 1. Структурная диаграмма состояния железо-цементит.

 

А - аустенит - ограниченным твердый раствор внедрения углерода в кристаллической решетке Fey. Тип решетки - ГЦК. Максимальная растворимость углерода - 2,14% при температуре 1147° C (точка Е на диаграмме). Устойчива от температуры плавления сплавов до tmin = 727° C. Особенность: с понижением температуры устойчивость А обеспечивается во все более сужающемся диапазоне растворимости углерода. При температуре ****= 727° CА устойчив только при определенном содержани и углерода (0,8%) - точка S. При падении температуры ниже 727° C А распадается и переходит в П.

П - перлит - эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита. Содержание углерода - 0,8% .Образуется в результате перераспределения углерода в А при t < 727° C. Строение: слоистая структура из пластинок Ф и Ц.

Ф - феррит - ограниченный твердый раствор внедрения углерода вкристаллической решетке Fea; ОЦК-решетка; содержание углерода –5 меньше 0,006% при t=20° C. Из-за малого содержания углерода по свойствам Ф аналогична чистому железу.

Ц - цементит - химическое соединение Fe3C - карбид (сложная кристаллическая решетка). С= 6,67%. Ц - самая высокоуглеродсодержащая фаза. Это самый твердый и прочный из всех сплавов.

ЛА - ледебурит аустенитный - эвтектическая смесь фаз А и Ц. Образуется при температуре 1147° C (линия ECD).

ЛП - ледебурит перлитный - эвтектическая смесь фаз П и Ц. Образуется из ЛА при температуре <727° C в результате распада А. Основные линии на диаграмме.

- ACB - линия  ликвидус.

- AECD - линия  солидус.

- ECD - линия  эвтектического превращения; С - точка эвтектики (ледебурит).

- SE - линия  предельной растворимости С в А; ниже линии С выделяется в виде Цц.

- GS - нижняя  граница устойчивости А; ниже линии часть кристаллов А теряет С и превращается в Ф, остальные кристаллы получают С и остаются устойчивыми.

- PSK - линия  эвтектического превращения; ниже  линии А переходит в П.

- PM - линия  предельной растворимости С в Ф; избыточный углерод - в виде Цш

GP - верхняя  граница ферритной области; для  любой двухфазной области диаграммы  применимо правило отрезков. Диаграмма  делится на области по содержанию  углерода: 0 -2,14% - сталь (0-0,8% - доэвтектоидная сталь, 0,8-2,14% - заэвтектоидная сталь); 2,14-6,67% - чугун (2,14-4,3% - доэвтектический чугун, 4,3-6,67% - заэвтектический чугун).

В нашем случае Сталь 50 - конструкционная углеродистая доэвтектоидная (С=0,5%) качественная сталь. Применяется: после нормализации с отпуском или закалки с отпуском - для изготовления зубчатых колес, прокатных валов, штоков, тяжелонагруженных валов, осей,

6 бандажей, малонагруженных пружин и рессор, лемехов, пальцев звеньев гусениц, муфт сцепления коробок передач, корпусов форсунок и других  деталей, работающих на трение.

Первый вид термической обработки - отжиг (полный) - термическая операция, заключающаяся в нагреве металла, находящегося в не равновесном состоянии и переводе его в более равновесное состояние. Фазовая перекристаллизация, заключающаяся в нагреве выше Ас3 (в нашем случае 7600С) с последующим медленным охлаждением. Если нагрев проводится в интервале температур Ас1 - Ас3, такой отжиг называется неполным. При отжиге структура сталей - равновесная Ф + П, П, П + Ц (после охлаждения). При данной термической обработке Аустенит при охлаждении при температуре 723° С распадается на феррит и цементит. Перлитное превращение всегда начинается на границах зерен аустенита. Чтобы возникли частицы новой фазы, нужно создать зоны пониженной и повышенной концентрации углерода. Исходный аустенит содержит 0,8% углерода, а в результате превращения образуется феррит, практически не содержащий углерода, и цементит с 6,67% углерода. Для объяснения этих процессов предложен флуктуационный механизм, согласно которому атомы углерода с большой диффузионной подвижностью при высоких температурах, могут создавать зоны с повышенной концентрацией углерода. Этот процесс является энергетически выгодным, и зародыш цементита вырастает до критического размера.

Если содержание углерода в стали не равно 0,8%, то из аустенита при охлаждении выделяется не только перлит, но и другие фазы. Если углерода менее 0,8%, выделяется избыточное количество феррита и сталь приобретает феррито-перлитную структуру, а при содержании углерода более 0,8% у стали перлито-цементитная структура.

Второй вид термической обработки - неполная закалка (нагрев до температуры выше критической точки Ас1 но ниже Ас3). Ас1 для стали 50 = 7250С, Ас=7600С. Если доэвтектоидная сталь была нагрета до температуры между критическими точками Ас1и Ас3,то при таком нагреве часть феррита не превратится в аустенит. После охлаждения аустенит превратится в 7 мартенсит, а феррит останется в закаленной стали. В результате после закалки в воде получится структура мартенсит + феррит с пониженной твердостью. Такая закалка для доэвтектоидных сталей не применяется. Второй вид термической обработки - полная закалка (выше критической точки Ас3 на 20...300С).В доэвтектоидной (среднеуглеродистой) стали после такой закалки, т.е. нагрева до температуры Ас 3 + (20...30°С) и последующего быстрого охлаждения в воде, образуется структура мелкоигольчатого мартенсита или так называемого скрытокристаллического мартенсита.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание №2

 

Условие:

Коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания работают в условиях динамических нагрузок. Выбрать марку стали для изготовления коленчатых валов автомобильных двигателей и режим термической обработки, обеспечивающий оптимальное сочетание механических свойств. Назначить режим местной термической обработки для повышения износостойкости шеек валов. Указать структуру и примерную твердость в различных частях готового изделия.

 

Ответ:

Коленчатый вал, вал, состоящий из одного или нескольких колен и нескольких соосных коренных шеек, опирающихся на подшипники. Каждое колено Коленчатый вал имеет две щеки и одну шейку для присоединения шатуна.Коленчатый вал является наиболее нагруженной деталью компрессора, так как всю мощность от двигателя он передает шатунам и масляному насосу. Коленчатый вал во время работы испытывает переменные динамические нагрузки, поэтому он должен быть достаточно жестким, чтобы под действием рабочих нагрузок обеспечивать необходимую точность движения перемещающихся частей, обладать высоким сопротивлением усталости. Трущиеся поверхности коленчатого вала должны иметь высокую износостойкость.Коленчатые валы изготовляют из углеродистых, хромомарганцевых, хромоникельмолибденовых, и других сталей, а также из специальных высокопрочных чугунов. Набольшее применение находят, стали марок 45, 45Х, 45Г2, 50Г, а для тяжело нагруженных коленчатых валов дизелей-40ХНМА, 18ХНВА.

 

Я выбрал сталь 40ХНМА. Циклическая прочность стали определяет работоспособность большой группы ответственных деталей машин – валов, осей, шатунов, валов-шестерен и др. Основой выбора стали для таких деталей служит предел выносливости σ-1. Наряду с σ-1 используют и такие параметры, как σв, σ0.2, ударную вязкость, сопротивление износу, прокаливаемость. Высокая циклическая прочность стали достигается в том случае, если она оказывает высокое сопротивление зарождению трещин усталости и их развитию. Механизм зарождения усталостной трещины связан с развитием и накоплением в поверхностном слое микропластической деформации. Он основан на движении дислокаций, возможность перемещения которых при напряжениях ниже предела текучести обусловлена анизотропией кристаллов и их случайной ориентацией. Упрочненный поверхностный слой в виде жесткой оболочки затрудняет выход дислокаций на поверхность и тем самым препятствует развитию на ней повреждений и образованию трещин усталости.

Для деталей, работающих при циклических нагрузках, преимущественно применяют стали нормальной и повышенной статической прочности., из них  предпочтения отдают улучшаемым сталям: углеродистым и низколегированным, обрабатываемых на структуру сорбита.

Оптимальный режим термической обработки.

Данная сталь является среднеуглеродистой (0,3-0,5%С) низколегированной сталью,  поэтому наиболее высокие механические свойства приобретают после термического улучшения - закалки и высокого отпуска (580-600°С) на структуру сорбита. Улучшение этой стали, обеспечивает повышенный предел текучести в сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью, высоким сопротивлением развитию трещины. Кроме того, улучшение заметно снижает порог хладноломкости, который в этой стали, в отличие от низкоуглеродистых, лежит при более высоких температурах. Высокие механические свойства при улучшении возможны при обеспечении требуемой прокаливаемости, которая для данной стали, служит важной характеристикой. Кроме прокаливаемости  важно получить мелкое зерно и не допустить развития отпускной хрупкости. Механические свойства улучшаемой стали определяются температурой отпуска, так как в зависимости от легирования разупрочнение одних сталей при отпуске идет быстрее, других - медленнее.

По данным ГОСТ  4543-71 температура закалки для стали 40ХМНА составляет 850°С. В качестве охлаждающей среды выбираем масло. Последующий отпуск назначаем при температуре 600°С (вода).

Указанный режим термической обработки обеспечивает получение следующих свойств:

s0,2 = 850 МПа;                     d = 20 %; 

sв = 950 Мпа;                       y = 62 %;

 

 

 

t

A( 850°C)                                            

A3( 805°C)               

 

A1( 740°C)      

масло

 

                                        вода            

 

 

 

τ

Рис. 1. Режим термической обработки стали 40ХНМА.

 

 

Структурные превращения при термической обработке.

 Критические точки  стали: Ас1 = 800°С, Ас3 = 865°С. Сталь подвергают полной закалке, при этом её нагревают до образования однородной мелкозернистой аустенитной структуры.

Последующее охлаждение в масле со скоростью большей, чем Vкр  (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита.

Рассмотрим превращения, происходящие в стали при нагреве исходной равновесной структуры Ф + Ц. На практике при обычных скоростях нагрева под закалку перлит сохраняет своё пластинчатое или зернистое строение до температуры Ас1 . При температуре Ас1    в стали происходит превращение перлита в аустенит. Кристаллы зерна аустенита зарождаются в основном на границах раздела фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются два процесса: полиморфный переход Fea®Feg и растворение цементита в аустените.

Общая схема превращения:

 

П(Ф+Ц) ® Ф+Ц+А ®А+Ц ® А(неоднородный) ® А(гомогенный)

 

Образование зёрен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита перлита, поэтому необходима выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получения гомогенного аустенита.

Фазовая перекристаллизация приводит к измельчению зерна стали. При этом, чем выше дисперсность структуры перлита и вкорость нагрева стали, тем больше возникает центров зарождения аустенита, а следовательно, возрастает дисперсность продуктов его распада. Увеличение дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений.

Изменения структуры стали при закалке в масло. При непрерывном охлаждении в стали аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение в сталях развивается с большой скоростью в интервале температурМн…Мк. Полученный мартенсит представляет собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в  a-железе и имеет тетрагональную кристаллическую решётку.

Образование в результате закалки мартенсита приводит к большим остаточным напряжениям, повышению твёрдости, прочности, однако при этом возрастает склонность к хрупкому разрушению, что требует проведения дополнительного последующего отпуска.