Выбор конструкционных материалов

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Факультет «Биомедицинских и пищевых  технологий и систем»

Кафедра «Биотехнологии и техносферная безопасность»

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине: «Материаловедение. Технология конструкционных  материалов»

 

По теме: «Выбор конструкционных материалов»

 

ПГТА 3.240901.012 ПЗ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент  гр. 09БТ Науменко Д.А.

Руководитель:   Красная Е.Г.

Работа защищена с оценкой:

 

 

 

Пенза 2013 г.

 

Утверждаю зав. каф.  БТБ 

Таранцева К. Р.___________

 

 

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Студенту Науменко Д.А.  Группа 09БТ

Тема работы: «Выбор конструкционных материалов»

Вариант № 12

1. Как изменяется блочная (мозаичная) структура при нагреве предварительно деформированного металла? В чем сущность процесса полигонизации?

2. Вычертите диафамму состояния железо карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диафаммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,2 % С. Выберите для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите состав фаз, т. е. процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз.

3. С помощью диафаммы состояния железо - карбид железа определите температуру полной и неполной закалки для стали 45 и дайте краткое описание микроструктуры и свойств стали после каждого вида термической обработки.

4. Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) гладких и резьбовых калибров из стали У12А. Опишите сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термической обработки.

5. Классификация защитных полимерных покрытий по назначению. Основные требования, предъявляемые к ним, и область их применения в машиностроении. 

Задача по выбору машиностроительных сталей 5.1.6.9;

Задача по выбору инструментальных сталей 5.2.17;

Задача по выбору жаропрочныхных сталей 5.4.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель Красная Е.Г._______________

Задание получил «16» февраля 2013 г.

Студент Науменко Д.А._______________

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Как изменяется блочная (мозаичная) структура при нагреве предварительно деформированного металла? В чем сущность процесса полигонизации? 5

2. Вычертите диафамму состояния железо карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диафаммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,2 % С. Выберите для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите состав фаз, т. е. процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз. 6

3. С помощью диафаммы состояния железо - карбид железа определите температуру полной и неполной закалки для стали 45 и дайте краткое описание микроструктуры и свойств стали после каждого вида термической обработки. 9

4. Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) гладких и резьбовых калибров из стали У12А. Опишите сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термической обработки. 11

5. Классификация защитных полимерных покрытий по назначению. Основные требования, предъявляемые к ним, и область их применения в машиностроении. 12

5.1.6.9 ЗАДАЧА ПО ВЫБОРУ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ 13

5.2.17 ЗАДАЧА ПО ВЫБОРУ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ 15

5.4.5 ЗАДАЧА ПО ВЫБОРУ ЖАРОПРОЧНЫХНЫХ СТАЛЕЙ 17

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 19

 

 

1. Как изменяется блочная (мозаичная) структура при нагреве предварительно деформированного металла? В чем сущность процесса полигонизации?

При нагреве деформированного металла до определенной температуры происходит перераспределение дислокаций с уменьшением энергии, но без существенного уменьшения общего числа дислокаций. Перераспределение дислокаций заметно изменяет структуру - в теле зерна возникает большое количество мелких субзерен, свободных от дислокаций ( блоки, полигоны), слабо разориентированных одно относительно другого. Этот процесс называется полигонизацией.

Полигонизация — перестройка и упорядочивание дислокационной структуры металлов. Полигонизация приводит к образованию субзёренных границ.

Одним из видов полигонизации является динамическая полигонизация, происходящая при горячей обработке металлов (прокатка, ковка и т. п.). На первом этапе происходит образование т. н. «ячеистой» структуры. Затем при упорядочивании дислокационных стенок происходит образование малоугловых субграниц. В результате ячеистая структура превращается в вытянутые субзёрна. Дальнейшее развитие динамической полигонизации приводит к появлению субграниц, перпендикулярных полученным на предыдущем этапе. Это приводит к образованию равноосных субзёрен. Дальнейшая последеформационная выдержка или повышение температуры приводят к рекристаллизации, то есть увеличению угла разориентировки между субзёрнами и их превращению в зёрна. В сталях с ванадием выделение карбида ванадия VC по этим границам блокирует их, и последующая рекристаллизация не идет. Аналогичный эффект происходит при легировании ниобием, хромом и другими карбидо- и нитридообразующими элементами. Механизм динамической полигонизации является основным при термомеханической обработке металлов.

Рисунок 1 - Схема трансформации дислокационной структуры при полигонизации

При нагреве деформированного металла имеется другая возможность образования более совершенной структуры и приближения к равновесию - без протекания полигонизации. Будут ли реализованы оба процесса - полигонизация и рекристаллизация - или один из них, зависит от многих факторов. Полигонизация чаще наблюдается после слабой деформации, рекристаллизация - после значительной.

2. Вычертите диафамму состояния железо карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диафаммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,2 % С. Выберите для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите состав фаз, т. е. процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз.

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линииABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1% заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР_4,3 Л[А_2,14+Ц_6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит + ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный) + ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_0,8 П[Ф_0,03+Ц_6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит + цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит + перлит и заэвтектоидные – перлит + цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147-727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф,

где      С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 1,2%С, называется заэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре цементит + перлит.

а)                                                                                   б)

Рисунок 2: а - диаграмма железо-цементит, б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 1,2% углерода

3. С помощью диафаммы состояния железо - карбид железа определите температуру полной и неполной закалки для стали 45 и дайте краткое описание микроструктуры и свойств стали после каждого вида термической обработки.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30-50 °С выше температуры, соответствующей точке Ас3 (для стали 45 Ас3 = 770 °С), выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении.

При медленном охлаждении стали приближаются к фазовому и структурному равновесию. Структура после отжига – феррит + перлит. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность.

Основные цели отжига: перекристаллизация стали (измельчение зерна), снятие внутренних напряжений, снижение твердости и улучшение обрабатываемости.

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки А1 (для стали 45 А1 = 730 °С)). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для улучшения обрабатываемости резанием. При неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали – вследствие перехода перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Структура после отжига – феррит + перлит.

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас3 на 40-50 °С, в непродолжительной выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье, прокатке, ковке или штамповке. Нормализацию широко применяют для улучшения свойств стальных отливок вместо закалки и отпуска.

Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной структуры и увеличивает количество перлита или, точнее, сорбита или троостита. Это повышает прочность и твердость нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с отожженной.

Сталь  45:

Полный отжиг: 800-820°С; 

Неполный отжиг: 750-770°С;

Нормализация 820-840 °С.

4. Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) гладких и резьбовых калибров из стали У12А. Опишите сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термической обработки.

Температура нагрева из сталей У12 при закалке инструмента должна быть выше точки А_с1 на 35-60°С и равна 770—790°С.

Рисунок 3 - Температура закалки углеродистых инструментальных сталей