Контрольная работа по дисциплине «Материаловедение» для ЗабГУ, пример оформления

Контрольная работа по дисциплине: «Материаловедение» вариант №14

1. Структурная диаграмма состояния железо-цементит. Для сплава, содержащего 3,0 % С, постройте кривую охлаждения, для сплава 0,1 % С — нагревания. При температуре 740°С определите относительное количество фаз и содержание углерода в растворе. 

  Сплав с содержанием 3,0 % углерода относится к доэвтектическим  белым чугунам (сплавы содержащие 2,14 – 4.3 % С ).  При температуре выше 1360 °С (точка 1 на кривой охлаждения) сплав находится в жидком состоянии. В равновесии находится одна фаза-Жидкость. Согласно правилу фаз Гиббса, количество степеней свободы равно С=k-f + 1 =2-1+ 1=2 где k- количество компонентов в сплаве,  k=2 (Железо и Цементит) f-количество фаз, f=1 (Жидкость) При температуре несколько ниже линии ликвидус ВС (точка 1, температура 1360 °С) и до 1147 °С (точка 2) из жидкости выделяются кристаллы аустенита. Аустенит кристаллизуется в форме дендритов, которые, как правило, обладают химической неоднородностью, называемой дендритной ликвацией. Состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус (линия ВС), стремясь к эвтектическому а твердой по линии солидус (линия JE), стремясь к составу точки Е при температуре 1147 °С. При температуре 1147 °С (температура эвтектического превращения) концентрация жидкой фазы достигает точки С (4,3 %С), а аустенита – точки Е (2,14 %С). Из жидкости эвтектического состава при  1147 °С образуется  эвтектика (смесь аустенита и цементита). Эвтектика имеет название ледебурит. При этом на кривой охлаждения наблюдается горизонтальный участок 2-2*. Ниже приведена схема эвтектического превращения: Ж_4,3 ® Л(А_2,14+Fe₃C) Согласно правилу фаз Гиббса, количество степеней свободы равно С=k-f + 1 =2-3+ 1=0 где k- количество компонентов в сплаве,  k=2 (Железо и Цементит) f-количество фаз, f=3 (Жидкость, Аустенит, Цементит) Появление горизонтального участка обусловлено выделением теплоты при эвтектическом превращении. Таким образом, ниже эвтектической линии ЕСF структура характеризуется избыточными кристаллами аустенита и эвтектикой (ледебуритом). При охлаждении от 1147 до 727 °С состав аустенита непрерывно меняется по линии ЕS, при этом выделяется цементит вторичный (Ц_{вторичн.}). Вторичный цементит выделяется как из избыточного аустенита, так и из аустенита эвтектики (ледебурита). Однако, если вторичный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, присоединяется к эвтектическому цементиту, то из избыточного аустенита он выделяется в виде оболочек вокруг дендритов аустенита и представляет собой самостоятельную структурную составляющую. В интервале температур между точками 2 и 3 количество степеней свободы согласно правилу фаз Гиббса равно: С=k-f + 1 =2-2+ 1=1 где k- количество компонентов в сплаве,  k=2 (Железо и Цементит) f-количество фаз, f=2 (Аустенит, Цементит) При температуре 727 °С (точка 3 на кривой охлаждения) весь аустенит: и избыточный, и тот, который входит в состав эвтектики – претерпевает эвтектоидное превращение, при котором образуется перлит. Перлит представляет собой эвтектоидную смесь Феррита и Цементита. Согласно правилу фаз Гиббса, количество степеней свободы при  727 °С равно: С=k-f + 1 =2-3+ 1=0 где k- количество компонентов в сплаве,  k=2 (Железо и Цементит) f-количество фаз, f=3 (Аустенит, Цементит, Феррит) При эвтектоидном превращении, так само как и при эвтектическом, на кривой охлаждения наблюдается горизонтальный участок 3-3*. Схема эвтектоидного превращения: А_0,8®П(Ф_0,02 + Fe₃C) При охлаждении ниже 727°С  из Феррита, в следствии  уменьшения растворимости углерода, выделяется Цементит третичный. В структуре сплава Цементит третичный не проявляется. Схема превращения: Ф®Fe₃C_III Ниже 727°С  (точка 3)  количество степеней свободы равно: С=k-f + 1 =2-2+ 1=1 где k- количество компонентов в сплаве,  k=2 (Железо и Цементит) f-количество фаз, f=2 (Цементит, Феррит) При комнатной температуре структура доэвтектического белого чугуна характеризуется следующими структурными составляющими: избыточным перлитом (бывшим аустенитом), ледебуритом превращенным, состоящим из перлита и цементита и цементитом вторичным.  Структура доэвтектического белого чугуна изображена на рис. 2       Рис.1  Диаграмма ,,Железо-Цементит”. Кривая охлаждения сплава с содержанием углерода 3,0%     Рис. 2  –Микроструктура белого доэвтектического чугуна и ее схематическое изображение. (Обозначение: Л-Ледебурит; Ц_II – Цементит вторичный; П-Перлит   При нагреве от комнатной температуры до температуры  точки 1 состав Феррита изменяется по линии QP (от содержания 0,006 % углерода при 0ºС (точка Q) до 0,02 % при  температуре точки 1),   В указанном интервале температур в равновесии находится две фазы – Феррит и Цементит. Проходит растворение феррита по схеме: Fe₃C→Феррит В интервале температур между точками 1 и 2 сталь находится в однофазном состоянии, в виде Феррита. (в равновесии находится только одна фаза — Феррит). В интервале температур между точками 2 и 3 протекает преврашщение  Феррита в Аустенит. α-Феррит→ Аустенит В интервале температур между точками 3 и 4 сталь не претерпевает превращений  и находится в однофазном состоянии- в виде аустенита. В интервале температур между точками 4 и 5 сталь претерпевает полиморфное превращение.  Аустенит превращается в Феррит (δ-Феррит). Схема превращения: Аустенит → δ-Феррит В точке 5 превращение  заканчивается. В интервале температур между точками 5 и 6 сталь плавится. Схема превращения:  δ-Феррит → Жидкость   Выше температуры точки 6  сталь полностью находится в жидком состоя­нии.      

2. Каким способом можно восстановить пластичность холоднокатаных медных лент? Назначьте режим тепловой обработки и опишите физическую сущность происходящих процессов. 

  Пластической называют такую деформацию, при которой после снятия внешней нагрузки тело не восстанавливает первоначальную геометрическую форму и размеры.  В зависимости от соотношения температуры деформации и температуры рекристаллизации различают холодную и горячую деформации. Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации. Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла. Холодная пластическая деформация сопровождается резким повыше­нием твердости     HВ, НRВ,  прочности     σ_в,   σ_0,2    и др. и упругости σ_упр, но при этом также резко снижаются показатели пластичности δ , ψ    и вязкости     α или   КСU  металлов и сплавов. Упрочнение металлов и сплавов при холодной пластической дефор­мации называют     наклепом (нагартовкой). Рис.2 – Схема изменения структуры металла при деформации и рекристаллизации   Величина наклепа, например   стали зависит от содержания угле­рода в ней и от степени деформации. Чем меньше содержание углерода в стали   и чем больше степень деформации, тем относительно больше наклеп. Наиболее интенсивно возрастает величина наклепа при увеличе­нии степени деформации примерно до 50 %. При создании в наклепанном поверхностном слое деталей больших напряжений сжатия существенно возрастает предел выносливости мате­риала, а потому (иногда до 3-5 раз) увеличивается срок службы дета­лей, работающих при переменных нагрузках (например, рессор, пружин, шестерен, коленчатых валов и др.). Холодная пластическая деформация (наклеп) сопровождается измене­нием микроструктуры металла. Зерна металла под действием приложенной нагрузки деформируются и вытягиваются осями наибольшей прочности в направлении течения металла, приобретая определенную однообразную кристаллографическую направленность. Первичная     рекристаллизация — процесс замены деформированных зерен другими более совещенными (мелкими, равноосными) зернами той же фазы. Температура, при которой происходит такой процесс, называют температурой первичной рекристаллизации. Ориентировочно эту темпе­ратуру при значительных степенях деформации металлов определяют по формуле: Т_Р=αТ_ПЛ , где    α — коэффициент, зависящий от содержания примесей в металле и состава сплава ; Т_ПЛ — температура плавления, К. В технически чистых металлах первичная рекристаллизация про­исходит при температурах порядка (0,3…0,4)Т_пл. При этих температу­рах в деформированном металле зарождаются центры (зародыши) пере­кристаллизации, на базе которых растут новые равноосные мелкие зер­на. Наклеп практически полностью снимается. Режим отжига меди: нагрев до 500—700°С. Собирательная рекристаллизация — процесс роста одних рекристаллизованных зерен за счет других пу­тем миграции границ зерен. Зерна укрупняются более или   менее рав­номерно. Собирательная рекристаллизация протекает при температу­рах существенно выше температуры первичной рекристаллизации. Вторичная рекристаллизация, называе­мая иногда аномальной, заключается в преимущественном росте отдель­ных зерен, попавших в наиболее благоприятные условия роста. В ре­зультате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое количество очень крупных зерен. Вторичная рекристаллизация может быть вызвана благоприятной для роста кристалло­графической ориентировкой отдельных зерен, меньшей, чем у других зерен, концентрацией дефектов, меньшим содержанием на границах примесей. Соответственно, в зависимости от условия, этот вид рекристаллизации может стимулироваться объемной или зернограничной энергией. Структура с разнозернистостью характеризуется пониженной пластичностью. Рис.3 – Влияние температуры отжига на свойства меди    

3. Выбор температуры закалки, времени нагрева, выдержки и условия охлаждения при закалке. 

    Закалка (обычная)– термическая обработка – заключается в нагреве стали до температуры выше критической, в выдержке и охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Среда охлаждения – вода. При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества цементита. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов, обладающих высокой твердостью. Преимущество- простота выполнения. Недостаток – большая степень коробления (деформации) при закалке. Ступенчатая закалка. При ступенчатой закалке деталь, нагретую до температуры закалки  (Ас3 + 50)ºС переносят в жидкую среду, имеющую температуру на 50 – 100^оС выше критической точки М_н закаливаемой стали, и выдерживают небольшое время, необходимое для выравнивания температуры по сечению, а затем окончательно охлаждают на спокойном воздухе.  Получение мартенсита при таком способе охлаждения возможно только в легированных сталях с достаточно высокой устойчивостью переохлаждённого аустенита в интервале температур эвтектоидного превращения. К ступенчатой закалке прибегают обычно при термической обработке инструментов небольшого сечения из низко- и среднелегированных сталей.  Достоинства – по сравнению с обычной  закалкой уменьшается процент брака через уменьшение коробления при закалке и появления закалочных трещин, так как уменьшается скорость закалки. Изотермическая закалка. В некоторых случаях после закалки на мартенсит и последующего отпуска не удаётся получить достаточной прочности и вязкости, тогда применяют изотермическую закалку на нижний бейнит, обладающий высокой вязкостью и прочностью. В отличии от ступенчатой закалки деталь выдерживают при температуре на 50 – 100^оС выше точки М_н  до полного завершения превращения аустенита в бейнит и затем охлаждают на воздухе. Изотермическая закалка, так же как и ступенчатая, применима только к сталям с достаточной устойчивостью переохлаждённого аустенита. Достоинства – уменьшается коробление по сравнению с обычной  закалкой. Недостатки – усложняется процесс закалки, так как требуется применение специальных сред (соляных ванн и т.п.), что повышает стоимость продукции. Рисунок 4 Диаграмма изотермического распада аустенита в втектоидиой стали У8 (схема):  1) ступенчатая закалка ; 2) изотермическая закалка; 3) обычная закалка   Общее время нагрева складывается из времени нагрева до данной температуры (τ_н ) и времени выдержки при этой температуре (τ_в ). Величина τ_н зависит от нагревающей способности среды, от размеров и формы деталей, от их укладки в печи; τ_в зависит от скорости фазовых превращений, которая определяется степенью перегрева выше критической точки и дисперсностью исходной структуры. Практически величина может быть принята равной 1 мин для углеродистых сталей и 2 мин для легированных сталей. Точно установить время нагрева можно лишь опытным путем для данной детали в данных конкретных условиях, а приближенно — способом расчета. Один из возможных расчетов проводится по формуле τ_н = 0,1 × D × К₁ × К₂ × К₃ = 0,1 × 60 × 2 × 2 × 1 = 24 мин где D — размерная характеристика изделия (минимальный размер максимального поперечного сечения) в мм; К₁ — коэффициент среды (для газа — 2, соли — 1, металла — 0,5); К₂ — коэффициент формы (для шара — 1, цилиндра — 2, параллелепипеда — 2,5, пластины — 4); К₃ — коэффициент равномерности нагрева (всесторонний — 1, односторонний — 4).      

4. Червячные фрезы из стали Р9К10 для черновой обработки сталей повышенной твердости (НRС 30…40) с повышенной производительностью. 

  Р9К10 – сталь инструментальная быстрорежущая. Буква «Р» в маркировке указывает на то, что сталь относится к быстрорежущим сталям. Цифра после буквы «Р» указывает на содержание Вольфрама в процентах. Буква «К» указывает на легирование кобальтом. Цифра после буквы указывает на содержание молибдена в стали. Содержание углерода в быстрорежущих сталях равно ≈ 1%. Кроме указанных легирующих элементов все быстрорежущие стали содержат Хром и Ванадий в качестве легирующих элементов. Быстрорежущие стали, в отличие от легированных и углеродистых сталей, имеют высокую теплостойкость, сохраняя мартенситную структуру и твердость более 60 HRC при нагреве до 600-650 ^°С, более высокую прочность и повышенное сопротивление пластической деформации. По структуре после отжига (в состоянии поставки) быстрорежущие стали относятся к ледебуритному классу. В литом виде они имеют ледебуритную эвтектику, которую устраняют горячей деформацией (ковкой) путем измельчения первичных карбидов. Сталь отжигают на металлургическом комбинате, поэтому при разработке режима термической обработки операцию отжига исключаем. Чтобы обеспечить равномерный прогрев по сечению, уменьшить внутренние напряжения и деформацию и снизить опасность образования трещин, нагрев до температуры закалки производят ступенчато в соляных ваннах. Закалку Р9К10 проводят с высоких температур (»1250°С) для обеспечения как можно большего перехода (растворения) легирующих элементов   в аустените. Карбидообразующие элементы (кроме ванадия) при небольшом количестве их в составе стали при нагреве растворяются в аустените и при закалке образуют легированный мартенсит. Охлаждение при закалке быстрорежущих сталей должно обеспечить сохранение высокой концентрации углерода и легирующих элементов в твердом растворе, а также сведения до минимума закалочной деформации, отсутствие трещин. Охлаждение инструмента из Р6М5 необходимо  проводить в закалочном баке с маслом  до температуры 200-300 ^оС, а затем на воздухе. Закалка в воде (скорость охлаждения выше чем в масле) приведет к короблению инструмента. Охлаждение на воздухе не обеспечит протекание фазовых превращений. Поэтому рационально проводить закалку в масле.   Структура стали после закалки состоит из легированного тонкодисперсного мартенсита, значительного количества (»30%) остаточного аустенита и карбидов вольфрама. Твердость составляет 60…62 HRC. Наличие остаточного аустенита в структуре закаленной стали ухудшает режущие свойства. Для максимального удаления остаточного аустенита проводят трехкратный отпуск при температуре 560 ^oС. При нагреве под отпуск выше температуры 400 ^oС наблюдается увеличение твердости. Это объясняется тем, что из легированного остаточного аустенита выделяются легированные карбиды. Аустенит при охлаждении от температуры отпуска превращается в мартенсит отпуска, что вызывает прирост твердости. Увеличению твердости содействуют и выделившиеся при температуре отпуска мелкодисперсные карбиды легирующих элементов. Максимальная твердость достигается при температуре отпуска 560°С. После однократного отпуска количество остаточного аустенита снижается до 10%. Чтобы уменьшить его количество до минимума, необходимо проведение трехкратного отпуска. График термической обработки представлен на рис.1. Твердость стали после отпуска составляет 64…65 HRC. Структура стали после термообработки состоит из мартенсита отпуска и карбидов. Количество остаточного аустенита также можно уменьшить обработкой холодом. а)                 б) Рис.3-Схема микроструктуы быстрорежущих сталей. а)Закаленная–мартенсит закалки + аустенит остаточный + карбиды; б) Отпущенная –мартенсит отпуска + карбиды. Рис.4-Режим термической обработки резцов из стали Р9К10    

5. Копиры из стали 20Х металлорежущих станков. Твердость поверхности НRС 58…62, глубина упрочненного слоя 1,2… 1,5 мм.

  Сталь 20Х — конструкционная легированная сталь. Сталь содержит 0,2% углерода и 1% хрома. Для получения заданных свойств необходимо провести цементацию и последующую термообработку. Химический состав Стали 20Х

C	Mn	Si	Cr	P	S	Cu
				не более
0,17¸0,24	0,35¸0,65	0,17¸0,37	1.1-1.3	0,035	0,040	0,25

  Температура критических точек Стали 20Х, ⁰С.

Ас1	Ас3
745	870

  Область  применения: втулки, пальцы, шестерни, валики, толкатели и другие цементуемые детали, к которым предъявляется требование высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины, детали, работающие в условиях износа при трении. Достоинством данной стали является сравнительно низкая стоимость и высокие механические свойства после термической обработки. Под цементацией принято понимать процесс высокотемпературного насыщения поверхностного слоя стали углеродом. В результате цементации получается твердый и износостойкий поверхностный слой при сохранении мягкой и вязкой сердцевины, повышается предел усталости стали. Цементация — наиболее распространенный вид химико-термической обработки. Цементации подвергают углеродистые и легированные стали содержащие от 0,1 до 0,25% углерода. Рисунок 1- Диаграмма состояния «железо-углерод», распределение углерода по толщине цементованного слоя и строение слоя   Рисунок 2 — Изменение концентрации углерода по глубине цементированного слоя (а) и схема микроструктуры незакаленного науглероженного слоя (б): 1 – заэвтектоидная; 2 – эвтектоидная; 3 – доэвтектоидная зоны При массовом производстве чаще используется газовая цементация, при которой детали нагреваются в газовых смесях, содержащих СО, СН₄ и др. В этом случае насыщение идет быстрее. Слой толщиной 1 мм образуется за 6…7 часов. Таблица 1 − Составы углерод насыщенных газовых сред (карбюриз-аторов),   применяемых  в процессе цементации сталей, и режимы химико-термической обработки изделий

Состав карбюризатора	Режим цементации		Глубина слоя, мм
	Т, °С	τ, ч
Эндотермическая среда (20 % СО, 40 % Н2, 40 % N2) + до 5 % природного газа (СН4)	930–950	6–10	0,7–1,5
Экзо-эндогаз (20 % СО, 20 % Н2, 60 % N2) + 0,5–5 % СН4	930–950	6–10	0,7–1,5
Газы, получаемые из керосина, различных спиртов и других углеводородов, непосредственно в печи для цементации	930–950	4-10	0,8–1,5

  Основной реакцией, обеспечивающей науглероживание при газовой цементации является реакция диссоциация метана: Так как углерод в α-фазе (Феррите) практически нерастворим, то процесс цементации осуществляется выше температуры  α → γ превращения (в интервале температур 930÷950 °С). Структура поверхностного слоя цементованного изделия представляет собой структуру заэвтектоидной стали (перлит и цементит вторичный), поэтому для придания стали окончательных — эксплуатационных — свойств после процесса цементации необходимо выполнить режим термической обработки, состоящий в закалке и низком отпуске; температурно-временные параметры режима термической обработки назначаются в зависимости от химического состава стали, ответственности, назначения и геометрических размеров цементованного изделия.

1. Исправить структуру и изменить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно перегреваемых во время длительной выдержки при высокой температуре цементации;
2. Получить высокую твёрдость в цементованном слое;
3. Устранить карбидную сетку в цементованном слое, который может возникнуть при пересыщении его углеродом.

Для получения науглероженного слоя стали толщиной около 0,7÷0,9 мм при газовой цементации требуется 6…7 ч. Такая продолжительная выдержка вызывает укрупнение зерна аустенита. Исправить крупнозернистость поверхностного слоя детали и придать ему высокую твердость позволяют последующая термическая обработка. Для улучшения структуры сердцевины рекомендуется двойная обработка: первая закалка (нормализация) от 850—880° С, вторая закалка от 780—800° С. Первую закалку или нормализацию осуществляют с температур 900…920 ^оС. Она позволяет измельчить зерно сердцевины и убрать цементитную сетку в поверхностном слое детали. Вторая закалка с температур 750… 760 ^оС устраняет перегрев в поверхностной заэвтектоидной зоне науглероженного слоя и придает ей максимальную твердость. Низкий отпуск позволяет уменьшить внутренние напряжения в детали. После медленного охлаждения детали (в равновесном состоянии) науглероженный слой имеет микроструктуру, представленную на рис. 1, б Аустенит поверхностного слоя с содержанием углерода более 0,8 % превращается в перлит и цементит вторичный (заэвтектоидная зона), около 0,8 % – в перлит (эвтектоидная зона), а содержащий меньше 0,8 % – в феррит и перлит (переходная зона). За толщину науглероженного слоя принимают суммарную толщину заэвтектоидной, эвтектоидной и половины  переходной зоны. Микроструктура поверх­ностного цементованного и закаленного слоя после  термообработки (нормализации и закалки) — отпущенный мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. Микроструктура сердцевины — малоуглеродистый мар­тенсит с переходом в феррит + перлит. Для уменьшения количества остаточного аустенита (стабилизации размера) в цементованном слое инструментов повышенной точности рекомендуется проводить обработку холодом при температуре минус 50°С. Обработка холодом состоит в погружении на некоторое время закаленных деталей в среду, имеющую температуру ниже нуля. После этого детали вынимают на воздух. Выдержку при обработке холодом определяют временем, необходимым для полного охлаждения всей детали и выравнивания температур по сечению. Охлаждение изделия до отрицательных температур производят в смеси твердой углекислоты (сухой лед) со спиртом, дающей охлаждение до -78,5°С либо в жидком азоте (-196°С). Отпуск цементованного измерительного инструмента проводят при 150—180° С в течение 1—3 ч; далее (после шлифования) старение при 120—130° С в течение 6—9 ч. Искривление инструментов, возникающее при цементации и последующей термической обработке, устраняют при шлифовании или правкой (рихтовкой). Рисунок  2 – График термической обработки копиров из стали 20Х   Механические свойства  после термической обработки

s0,2	sВ	d	y	KCU	Твердость
МПа		%		Дж/см2
не менее
590	735	14	45	59	Сердцевины, 200÷230 НВ; Поверхности 58-64 HRC