Ивановский институт Государственной противопожарной службы МЧС России

Контрольная работа №1

по дисциплине

«Материаловедение и технология материалов»

Выполнил:

Слушатель института переподготовки

и повышения квалификации,

факультета заочного обучения,

3 курса, 4 учебной группы

Алексеев А.В

Вариант № 12

Руководитель работы:

______________________

______________________

______________________

ИВАНОВО 2017

Содержание

Введение……………………………………………………………………..2

1. Задание 12А……………………………………………………………….3

2. Задание 15Б………………………………………………………………..6

3. Задание 18В……………………………………………………………….13

4. Задание 21Г………………………………………………………………..17

5. Задание 24Д………………………………………………………………..20

Список использованной литературы………………………………………..20

ВВЕДЕНИЕ

Одной из актуальных тем на сегодняшний день является решение проблемы повышения качества и долговечности продукции в промышленности. В результате непрерывного роста уровня современной техники, усложнением и расширением требований, предъявляемых к свойствам и качеству металлических сплавов, существует необходимость в постоянном совершенствовании технологических процессов, связанных с производством продукции из металлов и сплавов.

Сейчас известно большое количество металлов и сплавов, которые применяются в различных областях промышленности. Чтобы было проще выбрать материал для изделия, металловеды выделили среди них группы по назначению, характерным физическим свойствам, химическому составу и методу термической или химико-термической обработки.

В настоящее время металл пытаются заменить другими более легкими материалами, но в результате получаются вещества, или более дорогие по себестоимости, или не удовлетворяющие необходимым механическим свойствам. Металлы же прочно заняли свою нишу в промышленности и являются наиболее качественным, универсальным и долговечным материалом для производства различных деталей машин и механизмов.

В данной работе необходимо выбрать марку материала так, чтобы она удовлетворяла ряду требований готовой детали: твердости на поверхности зубьев, ударной вязкости, пределу прочности и текучести. Также необходимо учесть условия, в которых будет работать деталь, например динамические нагрузки, контактные напряжения, границы рабочих температур и др. Кроме того, на долговечность работы будет влиять такой фактор, как агрессивность среды, в которой ведется эксплуатация детали. Все вышеперечисленные факторы влияют на выбор марки материала и способ химико-термической обработки.

Задание 12А

Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «свинец Pb – сурьма Sb» (рис. П.4). Указать основные линии, точки, а также структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 5% сурьмы Sb, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении фазовые превращения. Для данного сплава определить количественное соотношение структурно-фазовых составляющих и их состав при комнатной температуре. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов системы «свинец Pb – сурьма Sb»

Линия ABC – линия ликвидуса (ликвидус – от лат. «жидкий»). Ниже линии DBE все сплавы системы находят­ся в твердом состоянии. Линия DBE – линия солидуса (солидус – от лат. «твердый»).

В точке В при массовом содержании 13 % Sb, 87 % Pb и при температуре 246 °С кристаллизация свинца и сурьмы происхо­дит одновременно; образуется тонкая механическая смесь кристаллов свинца и сурьмы (двух фаз). Эта смесь называется эвтектикой.

Правило отрезков. В процессе кристаллизации изменяется хими­ческий состав фаз и их масса (масса жидкости уменьшается, а твер­дой фазы — увеличивается, при этом, естественно, суммарная масса фаз остается постоянной, равной массе сплава).

Правило отрезков служит для определения химического состава фаз (т.е. содержания в них компонентов) и массового соотношения фаз в любой точке двухфазных областей диаграммы. Для их опреде­ления через точку, характеризующую положение сплава на диаграм­ме, проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с ли­ниями диаграммы, ограничивающими двухфазную область, в кото­рой лежит заданная точка. Проекция точки пересечения коноды и линии диаграммы состояния на ось концентраций показывает со­став той фазы, с которой граничит точка пересечения. Так, т. а' оп­ределяет концентрацию компонентов в жидкой фазе, а т. с' — кон­центрацию компонентов в твердой фазе (рисунок 2).

Рисунок 2 – Структурная диаграмма сплавов системы «Pb – Sb»

Для определения количественного соотношения фаз пользуются правилом рычага. Все количество сплава соответствует отрезку ас. Количество соответствующей фазы определяется противолежащим отрезком: количество жидкости — отрезком bс, а твердой фазы — отрезком ab.

Для сплава, содержащего 5% сурьмы Sb, кривая охлаждения выглядит следующим образом:

Рисунок 3. Кривая охлаждения сплава, содержащего 5% сурьмы Sb.

Приведенная кривая показывает наличие двух критических точек для сплава при затвердевании: 296⁰ и 246°. Верхняя критическая точка соответствует началу перехода сплава из жидкого состояния в твердое, нижняя — окончательному затвердеванию.

При комнатной температуре сплав находится в твердом состоянии и представляет смесь кристаллов избыточного свинца и эвтектики (рис. 4).

Рис. 4. Схема микроструктуры доэвтектического сплава Pb—Sb

Если доэвтектический сплав свинец — сурьма охлаждать медленно, то образующиеся кристаллы свинца, будучи тяжелее маточного раствора, станут опускаться вниз и скапливаться на дне тигля. В затвердевшем таким образом слитке эвтектика будет сосредоточена в верхней части, а свинец — в нижней. При затвердевании заэвтектических сплавов выпадающие кристаллы сурьмы окажутся легче маточного раствора и будут всплывать вверх, поэтому в слитке эвтектика окажется внизу, а чистая сурьма — наверху. Это явление носит название ликвации по удельному весу.

В результате ликвации по удельному весу получаются слитки, неоднородные по составу, структуре и свойствам в различных частях и поэтому непригодные для изделий. Для предотвращения ликвации охлаждение сплавов следует вести быстрее, чтобы кристаллы не успевали всплывать или погружаться.

Задание 15Б

Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «Fe-Fe3C» (рис. П.7). Указать основные линии, точки и структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 4,0% углерода C, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении структурно-фазовые превращения. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

Рис. 5. Диаграмма состояния сплавов системы «железо Fe-цементит Fe3C»

В таблице 1 указаны координаты характерных точек диаграммы согласно новейшим экспериментальным данным.

Железо, как компонент, проявляет свойства полиморфизма и в процессе охлаждения от жидкого состояния до комнатной температуры четыре раза меняет тип и параметры кристаллической решетки. В интервале температур от 1539 °С (температура плавления железа) и до 1392 °С оно имеет модификацию Feδ. У такого железа, объемно центрированная кубическая решетка с параметром 0,293 нм.

От 1392 до 911 °С железо имеет модификацию γ, которая характеризуется гранецентрированной кубической решеткой с параметром 3,64 нм.

В интервале температур 911–768 °С железо вновь приобретает объемно-центрированную кубическую решетку, но с параметром 0,290 нм, получившую название β-железа. И, наконец, при температурах ниже 768 °С при сохранении прежнего типа кристаллической решетки (объемно-центрированный куб) параметр ее становится равным 0,288 нм. Такая модификация получила название α-железо.

При температурах свыше 768 °С железо не магнитное, а при температурах ниже 768 °С железо становится магнитным.

Чистое железо располагается на крайней левой ординате диаграммы состояния.

Другим компонентом диаграммы является карбид железа состава Fe3C, называемый цементитом. В соответствие с формулой он содержит (по последним данным) 6,69 % углерода (С). Поскольку в процессе нагрева цементит склонен к распаду, определить его температуру плавления довольно трудно. В большинстве литературных источников эта температура составляет примерно 1250 °С.

В системе железо-углеродистых сплавов цементит является самой твердой структурной составляющей, но вместе с тем и самой хрупкой. Твердость чистого цементита по Бринеллю составляет около 7840 МПа (800 кгс/мм²). В этом отношении цементит уступает по твердости только алмазу. Кристаллическая решетка цементита – сложная ромбическая.

Таблица 1

Точки диаграммы

Любая линия диаграммы представляет собой границу предельного существования той или иной фазы в чистом виде. Образно говоря, любую линию диаграммы можно сравнить с государственной границей. Пересекли такую границу – по другую ее сторону совершенно другое население с совершенно другой конституцией. Точно так же происходит и со сплавами. Пересечение сплавом любой линии диаграммы в процессе его нагревания или охлаждения приводит к существенному изменению структуры и свойств этого сплава.

Линия ABCD. Эта линия получила название линии ликвидус. Она указывает на то, что любой сплав, лежащий при температурах выше этой линии, находится полностью в жидком состоянии, представляя собой однородную жидкую фазу

Линия AHJECF. Эта линия называется линией солидус и говорит о том, что любой сплав, лежащий ниже этой линии, находится полностью в твердом состоянии.

Линия AHN. Эта линия является границей предельной растворимости углерода в δ-железе. Слева от этой линии находится область существования чистой δ-фазы

Линия NJESG. Эта линия является границей предельной растворимости углерода в γ-железе. Внутренняя часть этой области является областью существования аустенита в чистом виде

Линия QPG. Эта линия является границей предельной растворимости углерода в α-железе. Слева от этой линии находится область существования чистого низкотемпературного феррита

Линия HJB. Эта линия является границей перитектической реакции, сущность которой заключается в том, что при пересечении сплавом в процессе его охлаждения этой линии δ-фаза взаимодействует с жидкой фазой, образуя аустенит

Линия ECF. Эта линия является границей эвтектической реакции, сущность которой заключается в том, что при пересечении сплавом этой линии в процессе его охлаждения из жидкой фазы одновременно выделяются аустенит и цементит, образуя механическую смесь, называемую ледебуритом

Линия PSK. Эта линия является границей эвтектоидной реакции, сущность которой заключается в том, что при пересечении сплавом в процессе его охлаждения из аустенита одновременно выделяются феррит и цементит, образуя механическую смесь, называемую перлитом

Линия ES. Эта линия является границей перенасыщения аустенита углеродом. При пересечении сплавом этой линии в процессе его охлаждения из аустенита выделяется вторичный цементит

Линия PQ. Эта линия является границей перенасыщения феррита углеродом. При пересечении сплавом этой линии в процессе его охлаждения из феррита выделяется третичный цементит.

Кривая охлаждения сплава выглядит следующим образом:

с

Рис. 6. Кривая охлаждения

Поскольку линия 0 является частью линии ликвидус, стало быть, выше этой линии находится однородная жидкость. В процессе охлаждения сплава в его точке пересечения с линией ликвидус (точка 1) из жидкости будет выделяться какая-то твердая фаза, которую можно определить, используя правило для определения выделяющейся фазы.

В точке 1 из жидкости начнут выделяться кристаллы первичного цементита. Это продукт первичной кристаллизации.

В интервале температур от точки 1 до точки 2 в сплаве будут находиться какое-то остаточное количество жидкости и продолжающие выделяться кристаллы цементита. Таким образом, при температуре 1147 °С (точка 2) жидкость принимает концентрацию точки С (4,3 % углерода). Точка 2 находится на границе эвтектической реакции. Поэтому при достижении сплавом температуры 1147 °С, а жидкости концентрации 4,3 % углерода, начнется эвтектическая реакция, смысл которой заключается в том, что из жидкости эвтектической концентрации будут одновременно выделяться две фазы, образуя механическую смесь. Продукт такой реакции будет характеризоваться крайними точками границы этой эвтектической реакции (точки 1 и 2).

Левее точки 1 находится аустенит, а точка 2 принадлежит крайней правой ординате, где находится цементит. Таким образом, в результате эвтектической реакции образуется механическая смесь, состоящая из аустенита и цементита. Такая смесь получила название высоко температурного ледебурита или ледебурита на аустенитной основе. На диаграмме она обозначается как Л(А).

В общем виде эвтектическая реакция записывается следующим образом:

ЖС → (АЕ + Ц)

По завершению эвтектической реакции в структуре сплава будут находиться продукт этой реакции (ЛА) и первичный цементит. Такая структура в принципе будет сохраняться в интервале температур от точки 2 до точки 3, т.е. от 1147 до 727 °С. Однако следует иметь ввиду, что при охлаждении сплава в этом температурном интервале аустенит, входящий в состав ледебурита, будет менять свой состав по линии ES и при температуре 727 °С примет концентрацию точки S, т.е. 0,8 % С. И точка S, и температура 727 °С находятся на границе эвтектоидной реакции, сущность которой заключается в том, что из аустенита концентрации 0,8 % С одновременно начнут выделяться две фазы, образуя механическую смесь. Так же, как и в эвтектической реакции, продукт эвтектоидной реакции будет характеризоваться крайними точками последней реакции.

Левее точки 3 находится низкотемпературный феррит и цементит. Таким образом, в результате эвтектоидной реакции будет образовываться механическая смесь, состоящая из феррита и цементита. Такая смесь получила название перлит.

В общем виде эвтектоидную реакцию можно записать так:

АS → (ФР + Ц)

Таким образом, при температуре 727 °С в результате эвтектоидной реакции ледебурит на аустенитной основе превращается в ледебурит на перлитной основе, а цементит, не принимавший участия ни в эвтектической, ни в эвтектоидной реакциях, как структурно свободная фаза, будет охлаждаться до более низких температур без каких-либо изменений. На диаграмме ледебурит на перлитной основе обозначается как Л(П).

Металлографически ледебурит на аустенитной основе отличается от ледебурита на перлитной основе тем, что у первого он имеет светлые сферические зерна, а у второго эти зерна темные.

При температурах ниже 727 °С сплав больше никаких линий диаграммы не пересекает, поэтому и никаких превращений происходить не будет. Окончательная структура такого сплава при комнатных температурах будет состоять из ледебурита на перлитной основе и первичного цементита.

Рис. 7. Структура сплава

Задание 18В

Для изготовления силовых лопаток авиационных газовых турбин выбран сплав ХН77ТЮР. Указать состав и определить группу стали по назначению. Назначить режим термообработки и описать влияние температуры на характеристики жаропрочности сплава в сравнении с жаропрочными сталями.

Химический состав в % материала ХН77ТЮР

ГОСТ 5632 - 72

Примечание: Ni - основа; процентное содержание Ni дано приблизительно

Технологические свойства материала ХН77ТЮР .

Механические свойства при Т=20^oС материала ХН77ТЮР .

Физические свойства материала ХН77ТЮР .

Зарубежные аналоги материала ХН77ТЮР

Внимание! Указаны как точные, так и ближайшие аналоги.

Обозначения:

Задание 21Г

Назначить режимы термической и химико-термической обработки для шестерни из стали 20Х с целью получения твёрдости поверхностного слоя зубьев HRC 58-62. Описать структуру и свойства поверхности и сердцевины зуба после термообработки.

Сталь марки 20Х в связи с ее малой прокаливаемостью применяется для мелких умеренно нагруженных шестерен, работающих на износ (шестерни силовых агрегатов автомобиля).

Стали, содержащие ≤ 0,25 % С закалку не воспринимают, однако, они подвергаются химико-термической обработке, например, цементации. К таким сталям относятся: сталь 20 (ГОСТ 2590-71); сталь 20ХН (ГОСТ 4543-71); сталь 12ХН3А (ГОСТ 4543-71), а также их аналоги. Цементация проводится при нагреве на 930 0С в специальных цементационных печах. Насыщение поверхности углеродом идет со скоростью 0,15мм/час.

Режимы обработки стали 20Х до твердости поверхностного слоя зубьев HRC 58-62 показаны ниже:

Рис. 8. Типовой режим обработки цементированных деталей

Следует отметить, что в результате цементации поверхностный слой детали, например, на зубьях шестерни, насыщается углеродом до 1,2...1,3 % и сталь марки 12Х переходит фактически в сталь 120Х. После закалки (см. рис. 8) упрочняется только цементированная рабочая поверхность шестерни до 60...64 ед. HRc, а сердцевина шестерни остается не упрочненной, относительно мягкой и пластичной. В таком состоянии шестерня наиболее работоспособна и хорошо противостоит как ударным, так и истирающимся нагрузкам.

Режим обработки стали 20Х приведен в таблице 2.

Таблица 2

Режим обработки стали 20Х

Примечание:

- в графе 4 и 6 указана твердость после отжига и закалки в соответствующей среде соответственно;

- в графе 7 указан максимальный диаметр круга (прутка) или сечения изделия, которые прокаливаются в воде (В) или в масле (М) насквозь;

- при расчете штучного времени, затрачиваемого на термическую обработку следует учесть количество деталей одновременно загружаемых в печь, а к времени выдержки (указано в таблице) следует прибавить время прогрева ( τпр ), которое зависит от сечения детали: τпр = D (Н)max * 0,5 мин.

Структура поверхностного слоя - отпущенный мартенсит, структура сердцевины - низкоуглеродистый сорбит перлит + феррит.

Твердость поверхности готового изделия 58-62 HRC.

Механические свойства в сердцевине готового изделия: σТ=370 МПа, σВ=550 МПа, δ>18%, ψ>45%.

Задание 24Д

Выбрать технологические режимы — скорость резания V, подачу S, частоту вращения шпинделя n_шп для сверления отверстий в заготовках из сплава Бр.ОФ10-1 сверлом диаметра Ø10 на сверлильном станке.

По справочнику (Макиенко Н.И. Общий курс слесарного дела М.: Высш. шк. , 1989.) режим сверления бронзы Бр.ОФ10-1 следующий:

Скорость резания V= 25...30, м/мин

Подача S= 0,15...0,2, мм/об

Частота вращения шпинделя вычисляется как:

n=1000V/πD=1000*25*3,14*0,01= 785 об/мин

Список использованной литературы:

1. Режимы резания авиационных материалов при сверлении,

зенкеровании и развертывании : Учеб. пособие / В . И. Лепилин; Самара, аэро косм . ун-т. Самара , 1993. 80 с.

2. Макиенко Н.И. Общий курс слесарного дела М.: Высш. шк. , 1989.)

3. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 1/Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. -4-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1986. 656 с., ил.