Ивановский институт Государственной противопожарной службы МЧС России

Контрольная работа №2

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 № 25

Руководитель работы:

______________________

______________________

______________________

ИВАНОВО 2017

Содержание

Введение………………………………………………………………………2

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

2. Задание 2Б……………………………………………………………………9

3. Задание 3В………………………………………………………………… 14

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

5. Задание 5Д…………………………………………………………………..18

Список использованной литературы…………………………………………19

Введение

Основу современной техники составляют металлы и металлические сплавы. Сегодня металлы являются самым универсальным по применению классом материалов. Для того чтобы повысить качество и надежность изделий, требуются новые материалы. Для решения этих проблем применяются композиционные, полимерные, порошковые материалы.

Металлы – вещества, которые обладают ковкостью, блеском, электропроводностью и теплопроводностью. В технике все металлические материалы называют металлами и делят на две группы.

Простые металлы – металлы, которые имеют небольшое количество примесей других металлов.

Сложные металлы – металлы, которые представляют сочетания простого металла как основы с другими элементами.

Три четверти всех элементов в периодической системе являются металлами.

Материаловедение или наука о материалах получила свое развитие с древнейших времен. Первый этап развития материаловедения начинается со специализированного изготовления керамики. Особый вклад в становление материаловедения в России был сделан М.В. Ломоносовым (1711–1765) и Д.И. Менделеевым (1834–1907). Ломоносов разработал курс по физической химии и химической атомистики, подтвердил теорию об атомно-молекулярном строении вещества. Менделееву принадлежит заслуга разработки периодической системы элементов. Оба ученых немалое внимание уделяли проблеме производства стекла.

В XIX в. вклад в развитие материаловедения внесли Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, Е.С. Федоров, В.А. Обручев, А.И. Ферсман, Н.Н. Белелюбский. Начинают производиться новые материалы: портландцемент, новые гипсы, цементные бетоны, полимерные материалы и т. д.

В машиностроении широкое применение получили металлы и сплавы металлов, именно поэтому металловедение является важной частью материаловедения.

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 1А

Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «свинец Pb – олово Sn» (рис. П.5). Указать основные линии, точки, а также структурно-фазовый состав всех областей диаграммы.

Для сплава, содержащего 50% олова Sn, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении фазовые превращения. Для данного сплава определить количественное соотношение структурно-фазовых составляющих и их состав при температуре 200ºC и схематично изобразить его структуру.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100% Sn

РЬ 100% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов системы «свинец Pb - олово Sn»

Диаграмма состояния сплавов системы «свинец Pb - олово Sn» (рис. 1) относится к разновидности диаграмм состояния двойных сплавов III типа, является диаграммой состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твёрдом состоянии (диаграмма состояния сплавов с переменной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии). По внешнему виду диаграмма похожа на диаграмму состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии. Отличие только состоит в том, что линии предельной растворимости компонентов не перпендикулярны оси концентрации. На диаграмме имеются области, в которых из однородных твёрдых растворов при понижении температуры выделяются вторичные фазы. Поэтому данный тип диаграммы характерен для сплавов, образующих при сплавлении компонентов твёрдые растворы, имеющих ограниченную взаимную растворимость друг в друге, изменяющуюся с изменением температуры.

Основные линии диаграммы:

ACB — линия ликвидус, линия начала процесса кристаллизации;

ADCEB — линия солидус, линия конца процесса кристаллизации;

Dm — линия переменной предельной растворимости олова Sn в свинце Pb;

En — линия переменной предельной растворимости свинца Pb в олове Sn;

DCE — линия кристаллизации эвтектики (T = 183ºC).

Основные точки диаграммы:

A — температура кристаллизации чистого свинца Pb (T = 327ºC);

B — температура кристаллизации чистого олова Sn (T = 232ºC);

C — температура кристаллизации эвтектического сплава 62% Sn + 38% Pb (T = 183ºC);

D — максимальная предельная растворимость олова Sn в свинце Pb (13% олова Sn в 87% свинца Pb при T = 183ºC);

E — максимальная предельная растворимость свинца Pb в олове Sn (4% свинца Pb в 96% олова Sn при T = 183ºC).

На диаграмме условно обозначены следующие фазы:

α — твёрдый раствор олова Sn в основном компоненте-растворителе свинце Pb;

β — твёрдый раствор свинца Pb в основном компоненте-растворителе олове Sn.

Из данной диаграммы видно, что с понижением температуры растворимость олова Sn в свинце Pb и, соответственно, свинца Pb в олове Sn (линии Dm и En соответственно) уменьшаются. Вследствие этого из твёрдых растворов выделяются избыточные фазы, то есть в сплаве образуются равномерно распределённые зоны, содержащие избыточное количество растворённого компонента. Таким образом, из α-твёрдого раствора, например, выделяются вторичные кристаллы β-твёрдого раствора (β II) переменного состава; из β-твёрдого раствора — вторичные кристаллы α-твёрдого раствора (αII). Составы этих вторичных кристаллов определяются соответственно линиями Dm и En.

Причинами выделения вторичных фаз (αII и βII) в сплавах в твёрдом состоянии при понижении температуры являются:

изменение параметров кристаллических решёток основных компонентов-растворителей;

изменение типов кристаллических решёток сплавляемых компонентов при понижении температуры (полиморфное превращение), что приводит к изменению растворяющей способности.

Сплавы составов левее точки m состоят из однородного α-твёрдого раствора — твёрдого раствора олова Sn в основном компоненте-растворителе свинце Pb, а сплавы стоящие правее точки n — из однородного β-твёрдого раствора — твёрдого раствора свинца Pb в основном компоненте-растворителе олове Sn.

Сплавы составов от точки m до точки d имеют микроструктуру, состоящую из кристаллов α-твёрдого раствора переменного состава и вторичных кристаллов β II-твёрдого раствора, а от точки e до точки n — из кристаллов β-твёрдого раствора переменною состава и вторичных кристаллов α II-твёрдого раствора.

Рис. 2. Кривая охлаждения

На диаграмме также можно выделить следующие сплавы:

Эвтектический сплав (эвтектика). На диаграмме данный сплав соответствует проекции точки С на ось концентраций, содержит 62% олова Sn и 38% свинца Pb. Этот сплав начинает кристаллизоваться при самой низкой температуре 183ºC среди всех сплавов рассматриваемой системы; имеет при понижении температуры постоянный количественный состав компонентов; структура его в твёрдом состоянии представляет собой мелкодисперсную механическую смесь кристаллов α- и β-твёрдых растворов переменного состава.

Доэвтектические сплавы, имеющие состав от точки d до точки c состоят из первичных кристаллов α-твёрдого раствора, эвтектики (α + β) и мелких вторичных кристаллов β II-твёрдого раствора, выделившихся из твёрдой фазы при понижении температуры. Первич­ные кристаллы α-твёрдого раствора равномерно распределены в эвтектике (α + β). Доэвтектические сплавы начинают кристаллизоваться с выделения из жидкой фазы кристаллов α-твёрдого раствора переменного состава (область диаграммы ADC, лежащая между линия­ми ликвидус и солидус).

Заэвтектические сплавы, имеющие состав от точки c до точки e, состоят из первичных кристаллов β-твёрдого раствора, эвтектики (а + β) и мелких вторичных кристаллов α II-твёрдого раствора, выделившихся из твёрдой фазы при понижении температуры. Первич­ные кристаллы β-твёрдого раствора равномерно распределены в эвтектике (α + β). Заэвтектические сплавы начинают кристаллизоваться с выделения из жидкой фазы кристаллов β-твёрдого раствора переменного состава (область диаграммы CEB, лежащая между линиями ликвидус и солидус).

При 200⁰С в сплаве будет 70% олова и 30% свинца.

Рис. 3. Структура сплава

Задание 2Б

Вычертить диаграмму состояния сплавов системы «Fe-Fe3C» (рис. П.7). Указать основные линии, точки и структурно-фазовый состав всех областей диаграммы. Для сплава, содержащего 0,2% углерода C, построить кривую охлаждения и описать происходящие при охлаждении структурно-фазовые превращения. Схематично изобразить и описать структуру заданного сплава.

Рисунок 4 – Диаграмма состояния сплавов системы «Fe-Fe3C»

Характерные точки диаграммы:

А (Т= 1539ºC) — температура плавления чистого железа Fe;

В (Т= 1493ºC; 0,5%С) — состав жидкой фазы при перитектической реакции; J (Т= 1493ºC; 0,18%С) — состав аустенита при перитектической реакции;

Н (Т= 1493ºC; 0,1%С) — состав феррита при перитектической реакции;

N (Т= 1392ºC) — температура полиморфного превращения железа Feα ↔ Feγ;

С (Т= 1147ºC; 4,3%С) — состав эвтектики (ледебурит = аустенит + цементит);

D (Т= 1600ºC; 6,67%С) — условная температура плавления цементита Fe3С; Е (Т= 1147ºC; 2,14%С) — предельная растворимость углерода в γ-железе Feγ;

G (Т= 911ºC) — температура полиморфного превращения железа Feγ ↔ Feα; S (Т= 727ºC; 0,80%С) — состав эвтектоидного сплава (перлит = феррит + цементит);

Р (Т= 727ºC; 0,02%С) — предельная растворимость углерода в α-железе Feα; К (Т= 727ºC; 6,67%С) — состав цементита;

Q (Т= 20ºC; 0,006%С) — минимальная растворимость углерода в железе.

Характерные линии и области диаграммы

ABCD — линии ликвидус — линия начала процесса кристаллизации Выше линии ликвидус (область I) сплав находится в жидком состоянии и представляет собой однородную систему — жидкий раствор.

AHJECF — линия солидус — линия завершения процесса кристаллизации. Сплавы, лежащие ниже этой линии, находятся в твёрдом состоянии. При температурах между линиями ликвидус и солидус происходит кристаллизация сплавов. В период кристаллизации одновременно существуют две фазы — жидкий расплав и кристаллы твёрдых растворов.

Ледебурит (Л) (точка С) — механическая эвтектическая смесь (эвтектика) кристаллов аустенита А и цементита Ц, содержащая 4,3% C. Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом Л, по имени немецкого учёного Ледебура.

Сплавы, лежащие праве точки С, т. е. содержащие от 4,3 до 6,67% С, кристаллизуются по линии CD. В процессе их кристаллизации выделяется первичный цементит Fe3C (ЦI). По мере образования из жидкого расплава первичного цементита (ЦI) содержание углерода в жидкой фазе уменьшается. При температуре 1147°С (линия CF) оставшийся расплав содержит 4,3% С и затвердевает с образованием ледебурита (эвтектики). В результате окончательно затвердевший сплав (ниже линии CF) состоит из первичного цементита (ЦI) и ледебурита Л. Сплавы, находящиеся левее точки С, т. е. содержащие до 4,3% С, называются доэвтектическими, а сплавы находящиеся правее от точки С, т. е. содержащие более 4,3% С, — заэвтектическими. Между линиями ликвидус ABCD и солидус AHJECF (области II и III) железоуглеродистые сплавы состоят из жидкой и твёрдой фаз, причём с понижением температуру количество твёрдой фазы увеличивается. Таким образом, непосредственно после окончания затвердевания структура доэвтектических сплавов состоит из аустенита А и ледебурита Л, структура эвтектического сплава — из ледебурита Л и структура заэвтектического сплава — из первичного цементита (ЦI) и ледебурита Л.

Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), он содержит 0,8% углерода С. Название такое эта фаза получила за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск. Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий его образования.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т. е. критические точки, имеют условные обозначения. Обозначаются они буквой А (от французского arret — остановка):

А1 — линия PSK (727ºС) — превращение П ↔ А;

A2 — линия MO (768ºС, — точка 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 А ↔ Ф(δ);

Acm — линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) — начало выделения цементита вторичного ЦІІ (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. Ас1, при охлаждении – букву r, т. е. Аr1. Все сплавы, характеризующиеся диаграммой Fe-C, разделяют на: техническое железо (< 0,006% C), стали (0,006 < C < 2,14%) и чугуны (2,14 <C <6,67%).

Построим кривую охлаждения для сплава, содержащего 0,2% углерода С (см. рисунок 5).

Сплав начинает кристаллизоваться в точке 1 при температуре 1480°С с выделением из жидкой фазы кристаллов аустенита.

Процесс кристаллизации завершается в точке 2 при температуре 1420°С. От данной температуры до температуры 890°С сплав представляет собой смесь аустенита и феррита.

При достижении температуры 890°С (точка 3) из аустенита, вследствие уменьшения растворимости, углерода начинает выделяться феррит.

Ниже 727⁰С сплав представляет смесь феррита и перлита.

Рис. 5. Кривая охлаждения

Рис. 6. Структура сплава, содержащего 0,2% углерода C.

Задание 3В

Для изготовления котлов используется сталь 12Х1МФ. Расшифровать состав и определить группу стали по назначению. Назначить и обосновать режимы термической обработки, описать получаемую структуру.

Характеристика материала 12Х1МФ

Задание 4Г

Требуется подвергнуть улучшению изделия из стали 45. Назначить режимы термической обработки, описать сущность происходящих явлений, структуру стали в результате термообработки.

Улучшение заключается в закалке и высоком отпуске стали.

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура точки Ас3 для стали 45 составляет 755°С, а Ас1 равна 730°С. Структура доэвтектоидной стали при нагреве её до критической точки Ас1 состоит из зерен перлита и феррита. В точке Ас1 происходит превращение перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от точки Ас1 до Ас3 избыточный феррит растворяется в аустените и при достижении Ас3 (линия GS) превращения заканчиваются.

Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 800-820°С. Структура стали 45 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.

Высокий отпуск проводится при температуре 580-600˚С. В результате получаем структуру – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости.

Закалка с высоким отпуском (по сравнению с нормализацией или отжигом) повышает временное сопротивление, предел текучести, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Высокие отпуск почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке.

Свойства стали 45 после улучшения: σВ = 870 МПа; σт= 700 МПа; δ= 13%; ψ = 65%; KCU = 1,3 МДж/м2; НВ = 255.

Задание 5Д

Выбрать технологические режимы — скорость резания V, подачу S, частоту вращения шпинделя n_шп для чистового точения заготовки из стали 40Х диаметром Ø100 на токарном станке.

По справочнику технолога – машиностроителя выбираем технологические режимы точения заготовки из стали 40Х:

Скорость резания V = 30 – 50 м/мин

Подача S = 0,1 – 0,2 мм/об

Число оборотов шпинделя:

n=1000V/πD=1000*40/(3,14*100)= 127,4 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.