Контрольная работа по "Материаловедение"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

 
 
 
 

Кафедра материаловедения и технологии материалов и покрытий

 
 
 
 
 

Контрольная работа

 
 
 
 

Выполнил студент:   

Факультет:    

Курс:     

Специальность:   220100.62

Шифр:    

 
 

Проверил преподаватель:  

 
 

Оценка:

 

Подпись преподавателя:

 

Дата:

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2011

Задача  № 1,часть1

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?

Решение:

Белыми называются чугуны, в которых весь углерод  находится в связанном состоянии  в виде цементита, благодаря чему они имеют светло-кристаллический  излом. Кристаллизация доэвтектических белых чугунов начинается с выделением из жидкого раствора кристаллов аустенита. При температуре 11470С (линия EF) белые чугуны претерпевают эвтектическое превращение. Оно заключается в образовании из жидкого раствора, содержащего 4,3 % С (точка С), эвтектической смеси, состоящей из кристаллов аустенита с концентрацией углерода 2,14% (точка Е) и кристаллов цементита, содержащих 6,67%С (точка F)

При дальнейшем понижении температуры, как показывает линия ES, уменьшается растворимость  в аустените углерода, в результате чего последний выделяется в виде вторичного цементита. 
Это выделение идет как из структурного свободного аустенита, так и из аустенита, входящего в состав эвтектики. Цементит, выделяющийся из структурно свободного аустенита (доэвтектический чугун), образует самостоятельную структурную составляющую; цементит же, выделяющийся из аустенита ледебурита, наслаивается на уже имеющийся в ледебурите частицы цементита и структурно не обнаруживается. 
При температуре 7270С аустенит, концентрация которого становится равной 0,8 % С, претерпевает, как и в углеродистых сталях, эвтектоидное превращение, т.е. распадается с образованием эвтектоидной смеси - перлита. 
Аустенит, входящий в ледебурит, также превращается в перлит, поэтому ледебурит при температурах выше 7270С представляет собой смесь аустенита с цементитом, а ниже этой температуры - перлит с цементитом. 
Таким образом, структура доэвтектического белого чугуна при комнатной температуре состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита Ледебурит наблюдается в виде светлых цементитных полей с равномерно расположенными на них темными перлитными участками. Перлит образует темные зерна; вторичный же цементит частично имеет вид светлых выделений по границам перлитных зерен, а частично сливаются с цементитом ледебурита.

Ковкий чугун.

Получают отжигом  белого доэвтектического чугуна. Хорошие  свойства у отливок обеспечиваются, если в процессе кристаллизации и  охлаждения отливок в форме не происходит процесс графитизации. Чтобы  предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния.

Ковкие чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния  – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора  – до 0,2 %, серы – до 0,1 %.

Формирование  окончательной структуры и свойств  отливок происходит в процессе отжига, схема которого представлена

 

Отжиг ковкого  чугуна.

Отливки выдерживаются  в печи при температуре 950…1000С  в течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита: .

Структура после  выдержки состоит из аустенита и  графита (углерод отжига).При медленном  охлаждении в интервале 760…720oС, происходит разложение цементита, входящего в состав перлита, и структура после отжига состоит из феррита и углерода отжига (получается ферритный ковкий чугун).

При относительно быстром охлаждении (режим б) вторая стадия полностью устраняется, и получается перлитный ковкий чугун.

Структура чугуна, отожженного по режиму в, состоит  из перлита, феррита и графита  отжига (получается феррито-перлитный  ковкий чугун)

Отжиг является длительной 70…80 часов и дорогостоящей  операцией. В последнее время, в результате усовершенствований, длительность сократилась до 40 часов.

 

Вариант 10

 

Задание №1

 

Выбрать марку  стали и способ поверхностного упрочнения эксцентриков,  кулачков  и  копиров,  которые  должны  иметь  очень  высокую  поверхностную твердость (НV 1000...1100) и точные размеры (мало деформироваться при термической обработке). Указать химический состав и назначение легирующих элементов. Описать последовательность  технологических операций  обработки

таких изделий  и изменения, происходящие при  этом в  структуре сталей. Привести окончательную структуру и твердость стали в различных частях изделия.

Выбор сделан в пользу -легированной конструкционной хромистой стали-Сталь 20Х,с массовой долей 0,20% углерода, хрома~1% .

Конструкционные легированные стали, такие как 20Х; 30Х; 40Х обозначают буквами и цифрами, в данном случае марка показывает содержание углерода и основного легирующего элемента хрома. Цифры после каждой буквы обозначают примерное содержание соответствующего элемента, однако при содержании легирующего элемента менее 1,5% цифра после соответствующей буквы не ставится.

Методами поверхностного упрочнения являются поверхностная  закалка, химико-термическая обработка и поверхностный наклеп.

Мы выбираем метод химико-термической обработки (ХТО).

Цементация стали- поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твёрдости, износоустойчивости. После цементации изделия подвергают термообработке, приводящей к образованию мартенситной фазы в поверхностном слое изделия (закалка на мартенсит) с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений.

 

Химический состав:

Химический элемент    %

Кремний (Si)     0.17-0.37

Марганец (Mn)     0.50-0.80

Медь (Cu), не более    0.30

Никель (Ni), не более     0.30

Сера (S), не более     0.035

Углерод (C)     0.17-0.23

Фосфор (P), не более     0.035

Хром (Cr)      0.70-1.00

 

Легирующие элементы придают стали в зависимости от ее назначения необходимые свойства. Способствует увеличению прочности стали, ее твердости и сопротивляемости износу.

Присадка Хрома (Cr)  , образующего карбиды, обеспечивает высокую твердость и прочность  стали. После цементации и закалки  получается твердая и износоустойчивая поверхность и повышенная по сравнению  с углеродистой сталью прочностью сердцевины. Хромистые стали с низким содержанием углерода подвергают цементации с последующей термической обработкой, а со средним и высоким содержанием углерода – улучшению (закалке и высокому отпуску).

Никель увеличивает  прочность, вязкость и твердость  стали, повышает ее коррозионную стойкость и прокаливаемость. Кремний при содержании его более 0,8% увеличивает прочность, твердость и упругость стали, снижая при этом ее вязкость. Марганец повышает твердость и прочность стали, улучшает ее свариваемость и прокаливаемость.

 

Последовательность технологических операций обработки изделий:

Отливка – цементация - механическая обработка - закалка - низкий отпуск - механическая обработка.

Структура стали  после обработки:

Цементация---Поверхность  –  перлит  +  карбиды; Сердцевина – феррит + перлит

Закалка ---Поверхность  – мартенсит + карбиды; Сердцевина – низкоуглеродистый мартенсит.

Низкий отпуск---Поверхность – отпущенный

мартенсит + карбиды  ;Сердцевина – отпущенный  низкоуглеродистый мартенсит.

 

Задание №2

     Перечислить основные требования, предъявляемые к магнитно-мягким материалам.  Выбрать недорогой сплав для изготовления  сердечников трансформаторов. Привести марку сплава и химический состав. Указать, как влияют элементы, входящие в состав сплава, на его свойства. Назначить режим термической обработки, объяснить ее влияние на основные характеристики сплава.

 

Общие требования-высокая  магнитная проницаемость, низкая коэцитивная  сила, а для деталей магнитопроводов, рабортающих в переменных магнитных  полях,-малые потери при перемагничивании и потери на вихревые потоки.

Маркировка высоколегированных сплавов отличается от маркировки сталей.  

Согласно ГОСТ 10994-74 маркировка сплавов (кроме термобиметаллов) состоит из двузначного числа, обозначающего среднюю массовую долю элемента и буквенного обозначения элемента после цифры. Железо в маркировке сплава не указывается.

При маркировке термобиметаллов, как и обычных  сталей массовая доля проставляется  после буквы элемента.

Буква «А» в  конце маркировка обозначает повышенные требования к чистоте металла. Буква «Е» указывает на то, что сплав магнитнотвердый.

 

Выбираем сплав 45Н, Сплав прецизионный магнитно-мягкий.

 
 
 
 
 

Химический состав:

Fe-51,83-54,25%

C-до 0,03%

Si-0,15-0,3%

Mn-0,6-1,1%

Ni-45-46,5%

S до 0,02%

P-до 0,02%

Сu-до 0,2%

 

Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее. Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают его ударную вязкость (за исключением никеля).

Марганец и  кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями. Марганец заметно повышает предел текучести, порог хладноломкости, прокаливаемость стали, но делает сталь чувствительной к перегреву.

 
 

Режим термической  обработки: отжиг(Для снятия механических напряжений, сильно ухудшающих магнитные свойства) при 1300 С в чистом сухом водороде и длительный отпуск при 400-500 С. Отожженные изделия должны быть светлыми, чистыми, без окислов, темных пятен и цветов побежалости. При сборке их нельзя подвергать ударам, изгибам, рихтовке, шлифовке, чрезмерной затяжке и сдавливанию обмоткой.

 

Задача  №3

 

Выбрать цветной  сплав с прочностью σв ≈ 400...550 МПа для изготовления  мелких  деталей (пробок  карбюраторов,  жиклеров,  различных  болтов, винтов, втулок) на токарных станках-автоматах. Указать марку сплава и химический  состав. Рассмотреть  влияние  отдельных  элементов,  входящих  в  состав