Контрольная работа по материаловедению для ЮУрГУ, пример оформления

Контрольная работа № 1 по дисциплине «Материаловедение» Содержание 1 Какие из распространенных металлов имеют кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку? Нарисуйте ее элементарную ячейку, укажите период и координационное число……………2 2 Начертите диаграмму состояния железо−цементит с указанием во всех ее областях фаз и структурных составляющих. ……….3 3 Что такое закаливаемость стали? У какой из приведенных сталей: 18Х2Н4МА, 40Х, 60 более высокая закаливаемость и почему? ..….9 4 Углеродистые качественные конструкционные стали: химический состав, механические свойства, термическая обработка, области применения………10 5 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……………14 1. Какие из распространенных металлов имеют кубическую границентрированную кристаллическую решетку? Нарисуйте ее элементарную ячейку, укажите период и координационное число. Ответ: В гранецентрированной кубической решетке (рис. 2.4, б) атомы расположены в углах куба и центрах его граней. Эта решетка характеризуется периодом я, координационном числом К — Y1, базисом, равным 4: (1/8) • 8 + 1/2-6 = 4; 8 атомов в углах куба и 6 атомов в центрах граней, каждый из которых принадлежит двум элементам. 2. Начертите диаграмму состояния железо−цементит с указанием во всех ее областях фаз и структурных составляющих. 2.2 Рассмотрите формирование структуры при охлаждении из жидкого состояния сплава, содержащего 0,4 % С. 2.3 При температуре 750°С для этого сплава определите содержание углерода в фазах и их количество. Ответ: 2. Анализ диаграммы состояния системы железо-цементит и сплава с содержанием углерода 0,4% 2. Диаграмма и её описание На рисунке №1 приведен вид цементитной диаграммы. По вертикальной шкале представлена температура от 600ºС до 1600ºС, а по горизонтальной — количество углерода в сплаве. Наибольшее количество углерода по диаграмме (6,67%) соответствует массовому содержанию углерода в химическом соединении — цементите. Следовательно, компонентами, составляющими сплавы этой системы, будут, с одной стороны, чистое железо Fe, с другой — цементит Fe3C. Линия АСD — ликвидус, а линия AECF — солидус. Выше линии АС сплавы системы находятся в жидком состоянии (Ж). По линии АС из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы твердого раствора углерода в γ-железе, называемого аустенитом (А); следовательно, в области АСЕ будет находиться смесь двух фаз- жидкого раствора (Ж) и аустенита (А). По линии CD — из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы цементита (Ц); в области диаграммы CFD находится смесь двух фаз — жидкого раствора (Ж) и цементита (Ц). В точке С при массовом содержании С 4,3% и температуре 1147 ºС происходит одновременно кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь эвтектика, называемая в этой системе ледебуритом (Л). Ледебурит присутствует во всех сплавах с массовым содержанием С от 2,14 до 6,67%. Эти сплавы относят к группе чугуна. Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,14%). Линии GSE, PSK и GPQ показывают, что в сплавах системы в твердом состоянии происходят изменения структуры. В области диаграммы AGSE находится аустенит (А). При охлаждении сплава аустенит распадается с выделением по линии GS феррита (Ф) — твердого раствора в α-железе, а по линии SE — цементита. В области диаграммы GSP находится смесь двух фаз — феррита (Ф) и распадающегося аустенита (А), а в области SEe1 — смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита. В точке S при массовом содержании углерода 0,8% и при температуре 727ºС весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита — эвтектоид (т.е. подобный эвтектике), который в этой системе называется перлитом (П). Сталь, содержащая 0,8% С, называется эвтектоидной, менее 0,8% — доэвтектоидной, от 0,8 до 2,14% С — заэвтектоидной. При охлаждении сплавов по линии PSK происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита; поэтому линия PSK называется линией перлитного (эвтектоидного) превращения. диаграмма сплав микроструктура термический 2.2 Структурные составляющие и фазы во всех областях диаграмм и их определение с указанием твердости Фазой называют однородную часть сплава, имеющую одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние, отделенную от других частей сплава поверхностью раздела. Фазы могут представлять собой как чистые элементы, так и химические соединения, твердые и жидкие растворы. Цементит (карбид железа) — химическое соединение железа с углеродом Fe3C, содержащее 6,67% углерода. Цементит магнитен, обладает высокой твердостью (твердость по Бринеллю = 8000 МПа) и хрупкостью. Из этого следует, что цементит в сплавах железа с углеродом повышает их твердость, но уменьшает вязкость и пластичность. В структурах сталей и чугунов цементит присутствует в виде игл, отдельных включений и сетки по границам зерен. Феррит — твердый раствор внедрения углерода в α-железо Feα(C). Структура феррита представлена одной фазой — твердым раствором, состав которого изменяется с изменением температуры. Феррит обладает высокой пластичностью (до 50%), низкими твердостью (НВ=700-800 МПа) и прочностью (=250 МПа) и высокими магнитными свойствами. Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в γ-железо. Кубическая гранецентрированная решетка. Его структура представлена одной фазой — твердым раствором, который может иметь переменный состав в зависимости от температуры. Чем выше температура, тем больше углерода растворяется в кристаллической решетке железа. Аустенит не магнитен, обладает большой пластичностью при высокой температуре и малой склонностью к хрупкому разрушению. В зависимости от температуры и содержания углерода сплавы железа с углеродом могут иметь следующие структурные составляющие: феррит (Ф), цементит (Ц), аустенит (А), перлит (П) и ледебурит (Л). См. рис.1. Перлит — эвтэктоидная смесь, состоящая из двух фаз: феррита и цементита. Эта структура образуется в результате распада аустенита с содержанием углерода =0,8% при t = 727ºС. В зависимости от формы частиц цементита перлит может быть пластичным или зернистым. Твердость пластичного перлита НВ составляет 2000-2500 МПа, а зернистость — 1600-2200 МПа. Ледебурит — эвтектичная смесь, которая образуется из жидкой фазы (из расплава) с концентрацией углерода 4,3% при t = 1147ºС. В диапазоне температур 1147 — 727 ºС ледебурит состоит из двух фаз — аустенита и цементита; при температуре ниже 727 ºС ледебурит также представляет механическую смесь, но состоящую уже из перлита и цементита. Содержание С постоянно = 4,3%. Твердость ледебурита НВ достигает 7000 МПа. 2.3 Кривая охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 ºС и её описание (с применением правила фаз) для сплава с содержанием углерода 0,4% На рис.2 изображена диаграмма состояния системы железо-цементит для сплава с содержанием углерода 0,4%. На рис.3 изображена кривая охлаждения для этого же сплава (С=0,4%). Точки 1,2,3,4 — это критические температуры для данной стали. Выше температуры 1520 ºС сталь находится в жидком состоянии. При температуре 1520 ºС начинается первичная кристаллизация с выделением из жидкости аустенита. Процесс кристаллизации аустенита заканчивается при температуре 1460 ºС. Следовательно, в результате первичной кристаллизации получается аустенит. При температуре 820 ºС аустенит начинает превращаться в феррит. Этот процесс заканчивается при температуре 727 ºС. При этой температуре (727 ºС) оставшийся аустенит превращается в перлит. Рисунок №3 Этот процесс занимает более длительное время. В итоге вторичная кристаллизация данной стали заканчивается при температуре 727 ºС с образованием структуры: перлит + феррит. Для данной диаграммы применяем правило фаз. Правила фаз: устанавливает зависимость между числом степеней свободы системы, числом компонентов и числом фаз, находящихся в равновесии и выражающихся уравнением: С=К+2-Ф, где С — число степеней свободы системы; К — число компонентов; Ф — число фаз, находящихся в равновесии. При применении правила фаз к металлам число внешних факторов (2) (температура и давление) в полном объеме не учитывается, т.к. давление, за исключением очень высокого, не влияет на число фаз, находящихся в равновесии. Тогда уравнение примет следующий вид: С=К+1-Ф. Применяем правило фаз к кривой охлаждения стали марки 40ХФА. См. рис.3. По формуле: С=К+1-Ф определяем число степеней свободы системы (С). На участке 1-2 С=2+1-2=1:К=2т.к. сплав содержит два компонента железо и углерод; Ф =2 т.к.число фаз на данном промежутке диаграммы = 2-это жидкость и аустенит; С ≠ 0, значит кристаллизация проходит в интервале температур от 1520 ºС до 1460 ºС. На участке 2-3 С=2+1-1=2: К=2; Ф=1; т.к. число фаз на данном промежутке диаграммы =1 — это аустенит; С ≠ 0, значит кристаллизация происходит в интервале температур от1460 ºС до 820 ºС . На участке 3-4 С=2+1-2=1: К=2; Ф=2, т.к. число фаз на данном промежутке диаграммы = 2 — это аустенит и феррит. С ≠ 0, значит кристаллизация проходит в интервале температур от 820 ºС до 727 ºС. На участке 4а-4 С=2+1-3=0: К=2; Ф=3, т.к. число фаз на данном промежутке диаграммы = 3 — аустенит, перлит и феррит. С=0, значит кристаллизация идет при постоянной температуре = 727 ºС . 3. Что такое закаливаемость стали? У какой из приведенных сталей: 18Х2Н4МА, 40Х, 60 более высокая закаливаемость и почему? Закаливаемость — способность стали получать высокую твердость при закалке, что обеспечивается получением структуры мартенсита. Высокую закаливаемость имеет сталь 18Х2Н4МА: Сталь 18X2H4МA относится к классу высококачественных легированных конструкционных сталей с сильно упрочняемой сердцевиной. Наряду со сталью 18Х2Н4МА к материалам с сильно упрочняемой сердцевиной относятся стали 20ХГР, 18ХГТ, 30ХГТ, 12ХНЗ, 18Х2Н4ВА и др. Сердцевина имеет мартенситную структуру. Стали этой группы имеют высокую проч¬ность (σв = 1200-1600 МПа) и применяются для крупных деталей, испытывающих значительные нагрузки. По этой причине сталь 18Х2Н4ВА находит свое применение в производстве деталей машиностроения для которых характерны свойства большой износостойкости, жесткости в сочетании с высокой стойкостью к динамическим и вибрационным нагрузкам, что достигается путем цементации. Одновременное легирование хромом и никелем повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины. Никель, кроме того, повышает прочность и вязкость цементированного слоя. Вольфрам (W) вводится в высококачественную сталь 18X2H4МA сталь для увеличения её красностойкости и повышения устойчивости к обезуглероживанию. Хромоникельмолибденовые стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникельмолибденовой конструкционной стали. 4. Углеродистые качественные конструкционные стали: химический состав, механические свойства, термическая обработка, области применения. Конструкционными называют стали, применяемые для изготовления деталей машин и механизмов, конструкций и сооружений. Эти стали могут быть как углеродистыми, так и легированными. Содержание углерода в сталях этой группы не превышает 0,8 %. Конструкционная сталь должна обладать хорошими технологическими свойствами: легко обрабатываться давлением (прокатка, ковка, штамповка) и резанием, хорошо свариваться, максимально прокаливаться, иметь малую склонность к деформации и трещинообразованию при закалке и др. Углеродистые конструкционные стали делят на стали обыкновенного качества и качественные стали. Углеродистые стали обыкновенного качества Углеродистые стали обыкновенного качества дешевле, чем качественные. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей (Р, 8, 0, 14). Углеродистые стали отливают в крупные слитки, вследствие чего в них развита ликвация, они нередко содержат большое количество неметаллических включений. Из них изготовляют детали менее ответственного назначения; горячекатаный сортовой прокат: прутки, швеллеры, уголки, а также листы, трубы и поковки, работающие при относительно невысоких напряжениях. Их широко применяют для строительных, сварных, клепаных и болтовых конструкций и для малоответственных деталей машин. В зависимости от свойств стали обыкновенного качества подразделяют на три группы (ГОСТ 380—94). Группа А — стали поставляют по механическим свойствам без уточнения их химического состава в виде листов и различных профилей без последующей обработки давлением, сваркой или термической обработки, поскольку их химический состав, определяющий режим обработки, не регламентируется и может сильно колебаться. Маркировка. Углеродистые стали группы А обозначаются буквами «Ст» и цифрами: 1, 2, 3, …, 6, например: Ст1, Ст2 и т. д. Чем больше это число, тем выше прочность и ниже пластичность. Группа Б — стали, поставляемые с гарантируемым химическим составом. Маркировка. В обозначении стали группы Б впереди ставится буква «Б», а в конце указывается степень раскисления: кп — кипящая сталь; сп — спокойная сталь; пс — полуспокойная сталь, например: БСт1кп, БСт2кп, БСтЗ, БСт4, БСт5, БСтб. Чем выше число, тем больше в стали углерода. Например, сталь марки БСтЗсп содержит 0,14—0,22 % С; марки БСт4кп — 0,18—0,27 % С; БСтбсп — 0,38—0,49 % С. В спокойной стали содержится 0,12—0,3 % кремния, в полуспокойной — 0,05—0,17 %, в кипящей — меньше 0,07 %. Группа В — стали повышенного качества. Их поставляют с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Маркировка. В обозначение сталей группы В ставится буква «В», например: ВСт1, ВСт2 и т. д. Состав стали соответствует аналогичной стали группы Б, а механические свойства — стали группы А (Ст1—Стб). Стали групп Б и В применяют в тех случаях, когда при производстве изделий используется сварка, горячая деформация или изделие необходимо упрочнять термической обработкой. Углеродистые конструкционный стали обыкновенного качества применяют для автомобильных деталей, изготовляемых с помощью сварки и работающих при небольших нагрузках. Например, стали СтО—Ст4 используются при производстве малона-груженных деталей кузовов автомобилей, крепежных деталей, гнутого профиля; Ст5, Стб — для средненагруженных осей, малоответственных болтов и гаек, клиньев, планок и т. д. Качественные углеродистые стали Качественные углеродистые стали в соответствии с ГОСТ 1050—88 выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу: содержание серы должно быть меньше 0,04 %, фосфора — меньше 0,035—0,04 %, а также меньше неметаллических включений. Кроме того, регламентированы макро- и микроструктуры. Маркировка. В обозначение качественных углеродистых сталей входят цифры 08, 10, 15, 20 и т. д. до 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, перед цифрами пишется слово «Сталь». Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие — с индексом: соответственно «пс» и «кп». Качественную конструкционную сталь, предназначенную для повышенной обрабатываемости резаньем на станках-автоматах (автоматная сталь), маркируют буквой «А» (А20, А40). Повышенная обрабатываемость резанием достигается увеличением содержания в стали серы, фосфора и свинца. Такая сталь снижает износ металлорежущего инструмента и позволяет использовать автоматическое оборудование. В автомобилестроении конструкционные качественные углеродистые стали идут на изготовление деталей кузова, двигателей и нормалей. Стали марок 08 и 10 применяют для штамповки кузовных облицовочных деталей, панелей крыши и дверей. Стали марок 15—25 хуже деформируются, но хорошо свариваются и подвергаются химико-термической обработке. Они применяются для деталей, изготовляемых штамповкой, высадкой и протяжкой (поперечины, распорки, усилители, рычаги, кронштейны, валы рулевых механизмов, тяги, шкивы, крепеж и пр.). Стали марок 30—55 идут на изготовление методом горячей штамповки различных деталей широкого применения: валов, зубчатых колес, полуосей и т. д. Эти стали можно обрабатывать всеми видами термической обработки, значительно повышая эксплуатационные и прочностные свойства деталей. Стали марок 60—85 обладают высокой прочностью и упругостью в результате закалки и отпуска. Из них изготовляют детали, работающие при больших статических и динамических нагрузках: крестовины карданных шарниров, диски сцепления, гибкие валы. Эти стали, а также стали марок 60Г и 70Г используют для изготовления пружин, рессорных листов и торсионов. Автоматная сталь применяется для изготовления крепежных автомобильных деталей (болтов, гаек, шпилек) на автоматных станках. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1.Акулич Н. В. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Мн. 2008. -285 с. 2. Гелин Ф. Д., Чаус А. С. Металлические материалы. Мн., 2007. — 306 с. 3. Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. − М.: Металлургия, 1975. − 447 с. 4. Дриц М. Е., Москалев М. А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Металлургия. 1990. – 255 с. 5. Конструкционные материалы: Справочник/Под ред. Арзамасова Б.Н. – М.: Машиностроение, 1990. – 687 с.