Материаловедение: металлы и сплавы

Материаловедение: металлы и сплавы

Оглавление

1. Самостоятельная работа №1

«Формирование структуры и методы исследования свойств металлов»

2. Самостоятельная работа № 2

«Диаграмма состояния “железо-цементит”

3. Самостоятельная работа №3

«Железоуглеродистые сплавы»

4. Самостоятельная работа № 4

«Термическая обработка металлов и сплавов»

5. Самостоятельная работа № 5

«Сплавы, применяемые в промышленности»

Самостоятельная работа 1

«Формирование структуры и методы исследования свойств металлов»

Вариант задания № 9

1. Объясните, к какой деформации (холодной или горячей), следует отнести прокатку низкоуглеродистой стали, свинца и вольфрама при комнатной температуре.

Горячая деформация производится при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры. Холодная прокатка производится ниже температуры рекристаллизации, сопровождается упрочнением (наклепом) металла. Прокатка низкоуглеродистой стали, свинца и вольфрама при комнатной температуре следует отнести к холодной деформации.

Холодная прокатка по сравнению с горячей имеет два больших преимущества: во-первых, она позволяет производить листы и полосы толщиной менее 0,8-1 мм, вплоть до нескольких микрон, что горячей прокаткой недостижимо; во-вторых, она обеспечивает получение продукции более высокого качества по всем показателям - точности размеров, отделке поверхности, физико-механическим свойствам. Эти преимущества холодной прокатки обусловили ее широкое использование как в черной, так и в цветной металлургии.

В цветной металлургии холодная прокатка применяется для получения тонких полос, листов и лент из алюминия и его сплавов, меди и ее сплавов, никеля, титана, цинка, свинца и многих других металлов.

1. Напишите, каким способом надо измерять твёрдость листовой мягкой стали толщиной 1мм.

Твёрдость в большинстве случаев испытывается при статическом характере вдавливания индентора в виде шарика, конуса или пирамиды в тело исследуемого объекта или царапанием поверхностного слоя пирамидой из твёрдого материала (склерометрический метод).

Для определения твёрдости тонких слоёв или мелких образцов используют прибор “Супер-Роквелл”, отличающийся от обычного прибора “ТК” меньшими нагрузками.

1. Объясните, когда процесс кристаллизации протекает быстрее – при небольшой, большой и очень большой степени переохлаждения? (ответ обосновать).

Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при переходе из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией.

Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тп (температура плавления).

На рис.1. изображены термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации металлов при охлаждении с разной скоростью. При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика (рис.1 кривая ?Т). В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения (кривые ?Т₁, ?Т₂) число зародышей возрастает в большей мере, чем скорость их роста, и размер зерна в металле уменьшается.

Зерно металла сильно влияет на механические свойства: чем мельче зерно, тем выше вязкость и пластичность.

При увеличении степени переохлаждения скорость образования кристаллов и скорость их роста возрастают, при определенной степени переохлаждения достигают максимума, после чего снижаются.

Скорость роста



Самостоятельная работа 2

«Диаграмма состояния “Железо-цементит”»

Вариант Задания № 9

1. Построить диаграмму «железо-цементит» с обозначением линий, точек и областей.



Рис..1. Диаграмма состояния железо – цементит

К углеродистым сталям относятся сплавы железа с углеродом с массовой долей углерода от 0,02 до 2,14 %.

Основными компонентами углеродистых сталей являются железо и углерод.

Железо является полиморфным металлом. При температурах ниже 910° С, железо существует в ? -модификации. Эта аллотропическая модификация железа называется ? -железом. В интервале температур от 910° С до 1392° С существует ? -железо с гранецентрированной кубической решеткой.

Углерод является неметаллическим элементом. В углеродистых сталях эти компоненты взаимодействуют, образуя, и зависимости от их количественного соотношения и температуры, разные фазы, представляющие собой однородные части сплава. Углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. В углеродистых сталях различают следующие фазы (рис.1): жидкий сплав (Ж), твердые растворы -феррит (Ф) и аустенит (А) и химическое соединение цементит (Ц),



Феррит - твердый раствор внедрения углерода в ? -железе. Содержит при нормальной температуре 0,006 % углерода. У феррита низкие твердость (HB = 790 МПа) и прочность (?₆ = 245МПа), высокие пластичность (? = 50%, ? = 85%) и ударная вязкость (KCU = 2940кДж/м²).

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в ? -железе, при нормальной температуре в углеродистых сталях в равновесном состоянии не существует.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fc₃C. Содержит 6,67 % углерода. Для цементита характерна высокая твердость (НV = 9800 МПа) и очень низкая пластичность.

Перлит – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита (Ф+Ц). Существует ниже 727° С и содержит 0,8% С.

2. Определить вид углеродистой стали и белого чугуна по заданному содержанию углерода, отметить эти точки на своей диаграмме.

Сплав содержащий до 2,14 % С – сталь. По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на доэвтектоидные (0,02 % < C < 0,8 %) структура феррит + перлит (Ф+П); эвтектоидные (С = 0,8 % С), структура перлит (П), перлит может быть пластинчатый или зернистый.; заэвтектоидные (0,8 % < C < 2,14 %), структура перлит + цементит вторичный (П + ЦII), цементитная сетка располагается вокруг зерен перлита.

Сталь углеродистая с содержанием углерода 0,55. % С – это сталь доэвтектоидная (содержание углерода меньше 0,8%).

Сплав содержащий от 2,14 % С до 6,67 % С – чугун.

Чугун, содержащий от 2,14 % С до 4,3 % С называется доэвтектическим.

Чугун с содержанием 4,3 % С называется эвтектическим или ледебуритным.

Чугун, содержащий более 4,3 % С называется заэвтектическим.

Белый чугун с содержанием углерода 5.0 % С – это чугун заэвтектический (содержание углерода в пределах 4,3-6,67%).

2. Построить кривые охлаждения стали и чугуна с указанием положения критических точек.

а б



Рис.2 Кривые охлаждения стали (а) и чугуна (б)

4. Зарисовать схематично процесс охлаждения.

а – доэвтектоидная сталь ; б – заэвтектический белый чугун .

5. Описать словесно процесс охлаждения углеродистой сталь с содержанием 0,55 % С (из жидкого состояния до комнатной температуры) с описанием всех структурных и фазовых превращений.

Углеродистая сталь с содержанием 0,55 % С, доэвтектоидная, кристаллизуется в интервале температур, ограниченными линиями ВС и IE от 1510°С до 1440°С (рис.2,а).

Первичная кристаллизация: Ниже линии ВС сталь состоит из жидкой фазы и аустенита. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус ВС, а аустенита - по линии солидус IE.

При температуре около1440° C состав жидкой фазы определяется точкой 2, аустенита – точкой 1.

Ниже температуры по линии солидус IE -1440°С, до температуры по линии GOS - 790°С), происходит затвердевание и сталь получает однофазную структуру – аустенит.

Первичные кристаллы аустенита имеют вид дендритов, величина и строение, которых определяется перегревом металла выше линии ликвидус, его составом и условиями охлаждения в процессе кристаллизации.

При понижении температуры состав аустенита меняется по линии GOS, а феррита - по GP.

Вторичная кристаллизация:

Начало вторичной кристаллизации на линии GОS (790°С) и образование ферритно-аустенитной структуры.

Конец вторичной кристаллизации - на линии PSK (735°С), аустенит превращается в эвтектоидную смесь - перлит.

Таким образом, структура доэвтектоидной углеродистая стали с содержанием 0,55 % С после окончания всех превращений состоит из феррита и перлита.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются буквой А (от французского arret – остановка):

А1 – линия PSK (727°С) – превращение П А;

A2 – линия MO (768°С, т. Кюри) – магнитные превращения;

A3 – линия GOS(переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение Ф А;

A4 – линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение ;

Acm – линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A3).

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е , при охлаждении – букву r, т.е. .

Белый чугун с содержанием 5,0 % С, заэвтектический, кристаллизуется в интервале температур, ограниченными линиями CD и СF (рис.2, б).

Первичная кристаллизация проходит по линии ликвидус CD - 1230°С - жидкая фаза, заканчивается по линии СF - 1147°С – образование кристаллов цементита первичного.

Конец первичной кристаллизации при полном медленном охлаждении образуют структуру цементита первичного и ледебурита (аустенит +цементит). Вторичная кристаллизация – при температуре ниже 727° С, меняется состав ледебурита (перлит + цементит).

После окончания всех превращений структура белого чугуна с содержанием 5,0 % С, состоит из ледебурита + цементита первичного.

1. Заполнить таблицы 4, 5:

Таблица 4 – Линии диаграммы Fe – Fe₃С

Таблица 5 – Точки диаграммы Fe – Fe₃С

Самостоятельная работа 3

«Железоуглеродистые сплавы»

Вариант Задания № 9

1. Расшифровка марок сталей.

40Х; 55; Ст4пс; 09Х15Н8Ю; 60С2; 09Г2С; 30ХН2ВФ.

40Х – конструкционная, улучшаемая, легированная хромистая сталь;

0,36-0,44% С; 0,17-0,37% Si; 0,50- 0,80% Mn; 0,8-1,10% Cr; не более 0,3% N i.

55 – углеродистая качественная конструкционная сталь;

0,52-0,6% C; 0,5-0,8% Mn; 0,17-0,37% Si; не более 0,25% Cr.

Ст4пс – углеродистая конструкционная полуспокойная сталь обыкновенного качества общего назначения; 0,18-0,27% C; 0,40-0,70% Mn; 0,05-0,17% Si;

09Х15Н8Ю – коррозионно-стойкая сталь аустенитно-мартенситная нержавеющая сталь; ?0,09% C; 14-16% Cr; 7-9% Ni, 0,7-1,3 % Al.

60С2 – углеродистая легированная сталь для пружин и рессор; 0,58-0,63% C;

1,6-2,0% Si; 0,6-0,9% Mn, не более 0,3% Cr, 0,25% Ni,0,20% Cu.

09Г2С - сталь низколегированная, для судостроения, химической промышленности, вагоностроения и мостостроения; не более 0,12% C, 0,5-0,8% Si, 1,3-1,7% Mn, не более 0,3% Ni, 0,3% Cu, 0,3% Cr.

30ХН2ВФ – хромоникелевольфрамовая сталь;

0,27-0,3% C; 0,6-0,9% Cr; 2,0-2,4% Ni; 0,5-0,8% W, 0,15-0,3% V

В основу маркировки сталей положена буквенно-цифровая система.

Лигированные элементы обозначаются буквами русского алфавита:

Х – хром - Cr Р – бор - В

Г – марганец - Mn С - кремний - Si

Д – медь - Cu Т – титан - Ti

К – кобальт - Co Ф - ванадий - V

Н – никель - Ni Ю – алюминий - Al

М – молибден - Mo В – вольфрам - W

П – фосфор - P

Количество углерода указывается в сотых долях процента цифрой, стоящей в начале обозначения; количество легирующего элемента в процентах указывается цифрой, стоящей после соответствующего индекса. Отсутствие цифры после элемента указывают на то, что его содержание менее 1,5%.

Самостоятельная работа 4

«Термическая обработка металлов и сплавов»

Вариант Задания №9

Назначить режим термообработки шестерни из стали 50 с целью достижения высокой твердости и износостойкости.

1. Деталь: шестерня;

2. Марка стали: сталь 50;

3. Содержание углерода: 0,47-0,55 %С

4. Цель термообработки: Повышение твердости и износостойкости.

5. Назначается термическая обработка – закалка с высоким отпуском.

Закалка - температура нагрева T_зак. = А_с1 + (30-50)°С = 755°С+(30-50)°С = 785-810°C

Охлаждающая среда – вода.

Отпуск - Т_от=500-650°С

Охлаждение на воздухе.



Рис. 1. "Стальной" участок диаграммы состояний сплава Fe-C



Рис. 2. Зависимость твердости закаленных углеродистых сталей с различным содержанием углерода от температуры отпуска

6. Закалка. Целью закалки является повышение твердости и прочности. Для зубчатых передач (деталь шестерня) важным является износостойкость, которая зависит от твердости.

После закалки стали с содержанием углерода 0,5%С получим твердость около 60 HRc.

В качестве охлаждающей (закалочной) среды для углеродистых сталей применяют воду.

После закалки возникают большие термические и структурные напряжения. Структура стали после закалки – мартенсит.

Для смягчения действия закалки сталь отпускают, нагревая до температуры ниже точки А₁.

Отпуск. Отпуск снимает или уменьшает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшается твердость и хрупкость. Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск (Тотп = 150-250°С), охлаждение на воздухе. Применяют для снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижения твердости. Средний отпуск (Тотп. = 300-500°С), твердость стали, заметно понижается, вязкость увеличивается. В процессе высокого отпуска (Тотп=500-650°С) мартенсит распадается с образованием троостита, а затем и сорбита. Эти структуры обеспечивают лучшее сочетание механических свойств: повышенные прочность, вязкость и пластичность. Высокому отпуску (улучшению) подвергают среднеуглеродистые (0,3-0,5%С) конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. В данном случае для получения высоких показателей прочности, пластичности и ударной вязкости рекомендуется высокий отпуск.

1. Структурные превращения:

• Исходная структура (до закалки) – Механическая смесь феррита и перлита;

• Структура при нагреве выше Ас₁ – Аустенит (твердый раствор углерода в ?-железе);

• Структура после закалки – Мартенсит (пересыщенный твердый раствор углерода в

?-железе);

• Структура после высокого отпуска – Сорбит отпуска.



Структура улучшенной стали-сорбит



Микроструктура мартенсита стали 50 после закалки

Самостоятельная работа 5.1

«Выбор марки стали в зависимости от условий работы»

Вариант Задания №9

1. Щёки и шары машин для дробления руды и камней работают в условиях повышенного абразивного износа, сопровождаемого ударами. Выбрать сталь для изготовления щёк и шаров, указать её химический состав и свойства, в том числе обрабатываемость резанием и поведением в работе. Указать структуру стали в готовом изделии.

2. Для щёк и шаров машин для дробления руды и камней необходимо выбрать сталь, имеющую высокое сопротивление износу, с одновременным воздействием высоких давлений или ударных нагрузок.

Износ деталей машин вообще является сложным процессом. Типовые случаи: обычное трение скольжения и абразивный износ. В первом случае металл наклепывается с поверхности, поэтому износостойкость существенно зависит от способности металла наклепываться. Во втором случае, когда частицы металла вырываются с поверхности, износостойкость определяется твердостью и сопротивлением отрыву. Износостойкость может быть повышена химико-термической обработкой.

Для таких деталей применяют износостойкие стали.

3. К таким сталям относят высокомарганцовистую литую сталь, аустенитного класса, марки 110Г13Л.

110Г13Л, содержат около 1 % С (углерода) и 12-13 % Мn (марганца), иногда такую сталь обозначают как Г13Л (1,1 % С; 3 % Мn; 0,5 % Si). Буква Л означает, что сталь литая.

Сталь 110Г13Л обладает высокой износостойкостью.

Структура этой стали после литья состоит их аустенита и избыточных карбидов (Fe, Мn)₃С,

Выделяющихся по границам зерен, карбиды снижают вязкость и прочность стали.

Поэтому литые изделия подвергают закалке до 1100° С и с охлаждением в воде.

При таком нагреве растворяются карбиды, и сталь после закалки приобретает более устойчивую структуру аустенитную структуру с твердостью по Бринеллю НВ=180-220

Стали 110Г13Л обладает следующими механические свойствами:

Предел прочности, ?_в - 800-900 МПа

Предел текучести, ?_{т -} 310-350 МПа

Относительное сужение, ? - 30- 20 %

Относительное удлинение, ?₅ - 25- 15 %

Из этих данных видно, что сталь с аустенитной структурой характеризуется низким пределом

текучести, составляющим около одной трети предела прочности.

Обрабатываемость резанием при твердости НВ 220 – коэффициент обрабатываемости Кv = 0.25

Материал резца – твердый сплав (ВК8, Т5К10, ТТ7К12 и др.).

Характерной особенностью аустенита в условиях значительных давлений и ударных нагрузок является его повышенная склонность к наклепу. При деформации на 60-70 % твердость стали 110Г13Л, увеличивается до НВ 500, что объясняется большими искажениями кристаллической решетки, дроблением блоков мозаики и образованием структуры мартенсита в поверхностных слоях.

Под действием нагрузок эта сталь становилась все тверже и тверже.

И именно самоупрочнение послужило, широкому распространению марганцовистой стали.

Благодаря высокой износостойкости марганцовистой стали, ее начали применять для изготовления тех деталей, которые в процессе эксплуатации истираются при значительном удельном давлении - рельсовых крестовин, щек дробилок, шаров шаровых мельниц, гусеничных траков и т. п.

Области применения стали 110Г13Л

Футеровка мельничная. Для грубого измельчения применяют ребристые, для тонкого - прямые или волнистые плиты. Сухари, решетки, клинья используются для создания полностью замкнутого пространства в мельнице, и также изготавливаются из 110Г13Л.

Плиты, щеки, брони дробилок. Из 110Г13Л изготавливаются быстроизнашиваемые части дробильного оборудования: плиты, щеки, брони, конуса дробилок.

Экскаваторы. На экскаваторах типа ЭКГ, ЭШ, работающих в карьерах добывающей промышленности, самыми изнашиваемыми и самыми востребованными запасными частями являются зубья ковша, кромки режущие, стенки, траки гусеничные.

Ножи (режущие кромки) отвала. На бульдозерах, грейдерах используются изнашиваемые ножи (боковые, центральные). На погрузчиках изнашиваемой деталью являются зубья ковша

Самостоятельная работа 5.2

«Выбор сплава на основе цветного металла»

Вариант Задания №9

1. Червяк редуктора для уменьшения коэффициента трения часто изготовляют из стали, а венец колёс – из сплава на медной основе. Подберите марку и состав сплава для венца колеса, обладающего высокими антифрикционными свойствами. Укажите для сравнения сталь для изготовления червяка редуктора диаметром 30мм.

Изготовление червяка и колеса из твердых материалов не обеспечивает достаточной износостойкости и сопротивления заеданию. Поэтому одну из деталей передачи выполняют из антифрикционного материала (материала с низким коэффициентом трения, хорошо сопротивляющегося заеданию и износу, работающему в условиях трения скольжения).

В машиностроении применяют конструкцию венцов червячных колес с напрессованным венцом, при небольшом диаметре колес.

Червяк и колесо должны обладать высокой прочностью, изностойкостью и сопротивляемостью заеданию.

Зубчатые венцы червячных колес изготовляют из бронзы, выбор марки материала зависит от скорости скольжения и длительности работы.

При высоких скоростях скольжения и длительной работе рекомендуется оловянные бронзы марок Бр010 Ф1, Бр010Н1Ф1.

При средних скоростях скольжения применяют безоловянистые бронзы марок БрАЖ9-4Л, БрАЖН10-4-4Л.

Червяки изготавливаются из среднеуглеродистых сталей марок 40х, 40хн с поверхностной или объемной закалкой до твердости 45...53 HRC.

Бронзами называют сплавы меди с любым элементом, кроме цинка.

Легирующие элементы в марках медных сплавов обозначают следующими буквами: А - алюминий, Н - никель, О - олово, Ц - цинк, С - свинец, Ж - железо, Мц - марганец, К - кремний, Ф - фосфор, Т - титан.

Маркировка бронзы:

Буквы Бр обозначают бронзу.

Цифры, следующие за буквой, указывают количество легирующего элемента.

В зависимости от состава бронзы делятся на простые оловянистые и специальные - безоловянистые. Существуют сплавы бронзы с добавлением алюминия, кремния, бериллия и других элементов.

2. Свойства бронзы, содержащие от пяти до десяти процентов алюминия, обладают ценными технологическими и механическими свойствами. Эти бронзы кристаллизуются в узком интервале температур, из-за этого приобретают высокую жидко текучесть и дают концентрированную усадочную раковину.

3. По технологическому признаку бронзы делят на деформируемые и литейные.

Первые легко поддаются штамповке, ковке, рифлению и другим видам обработки давлением, используемым при изготовлении изделий. Литейные бронзы предназначены для фасонных отливок. Бронзы по сравнению с латунью обладают более высокими прочностью, коррозионной стойкостью и антифрикционными свойствами. Они весьма стойки на воздухе, в морской воде, растворах большинства органических кислот, углекислых растворах.

4. Венец колеса целесообразно изготовить из оловянно-фосфористой бронзы марки Бр О10Ф1.

Бронза БрО10Ф1 относится к литейным бронзам.

?_в ?,%

_, ? ?+? ?+?

350 ? 50

?_в

280 40

210 30

140 20

?

70 10

0 0

0 10 20 30 40 50

Cu Zn, %

Рис 1. Влияние содержания олова на механические свойства литых сплавов систеы Cu – Sn

При содержании олова (Sn) более 8% структура сплава состоит из ?-твердого раствора и эвтектоида (?+?). Появление эвтектоида, содержащего твердую фазу ?(Cu₃₁Sn₈), вызывает повышение твердости и прочности. Максимум значений этих свойств достигается при 20…25% Sn (Рис.1). Пластичность сплавов с увеличением содержания олова сначала возрастает, достигая максимальных значений при 5…7% Sn, а затем резко снижается.

В стандартных сплавах общего назначения верхний предел равен 8…10% Sn.

Кроме химического состава, на свойства литейных оловянных бронз существенное влияние оказывает структурный фактор: размеры и форма зерен ?–раствора, расположение и дисперсность (?+?)-эвтектоида в отливке. В бронзах, не содержащих эвтектоид, относительное удлинение составляет 6…10%, появление эвтектоида снижает пластичность до 1…3%. Кроме того, включения твердого эвтектоида (?+?) обеспечивает высокую стойкость бронз против истирания и высокие антифрикционные свойства.

Состав (массовая доля, % компонентов) оловянно-фосфористой бронзы

5. Фосфор (Р) значительно улучшает литейные и антифрикционные свойства бронз.

В оловянных бронзах, легированных фосфором, образуется фосфид меди(Cu₃P), который наряду с ?-фазой, обладает высокой твердостью и обеспечивает повышение износостойкости, создавая необходимые условия для хорошей работы литых антифрикционных деталей узлов трения.

При содержании более 8% Sn в присутствии цинка несколько снижается пластичность бронз из-за увеличения в их структуре твердой и хрупкой (Cu31Sn8)-фазы из эвтектоида (?+?), так как цинк уменьшает растворимость олова в меди.

Оловянные бронзы при литье настолько повышают механические свойства, что в них можно заметно уменьшить содержание таких дефицитных добавок, как никель, олово, сурьма и свинец.

В марке БрО10Ц2содержание легирующего элемента цинка приводит к удорожанию этой марки.

6. Для изготовления червяка редуктора выбираем конструкционную хромистую сталь-40Х.

Механические свойства стали

Самостоятельна работа № 5.3

«Расшифровка марок сталей»

Вариант Задания № 9

Х – хром - Cr Р – бор - В Н – никель - Ni Ю – алюминий - Al

Г – марганец - Mn С - кремний - Si М – молибден - Mo В – вольфрам - W

Д – медь - Cu Т – титан - Ti К – кобальт - Co Ф - ванадий - V

П – фосфор - P Ц – цинк - Zn