Контрольная работа по "Материаловедению"

Материаловедение

Задание 6…………………………………………………………………………3

Задание 36………………………………………………………………………..7

Задание 66………………………………………………………………………..10

Список литература………………………………………………………………17

 

Задание 6 

 

По диаграмме состояний «железо-цементит» опишите  какие структурные и фазовые превращения будут происходить при  медленном охлаждении  из жидкого состояния сплава с содержанием углерода С=3,3%. Охарактеризуйте этот сплав и определите для него при температуре  1000 С количество, состав фаз, и их процентное соотношение. 

 

Решение: 

 

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (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 ?-железе (?-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием ? (?)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в ?-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 ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. 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 ?-железа в ?-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 А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].

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 727?С имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727?С при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727?С (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). 

 

 

 

Рисунок 1: а-диаграмма железо-цементит, б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 3,3% углерода 

 

 

  

 

 

              Структура эвтектических  чугунов при температурах ниже 727?С состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727?С 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 3,3%С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре цементит + перлит + ледебурит. 

 

 

 

 
 
 

 

 

 

Задание 36 

 

 

 

Расшифруйте заданную марку сплава объясните влияние   элементов, входящих в сплав. Постройте  график термической обработки детали для получения заданных механических свойств. 

 

Решение: 

 

Деталь: Диск газовой турбины

Сталь: 45Х14Н14В2М

Свойства: Q100=220МПа

Марка :	45Х14Н14В2М
Классификация :	Сталь жаропрочная высоколегированная
Применение:	клапаны моторов, поковки, детали трубопроводов, длительно работающие при температурах до 650 °С.; сталь аустенитного класса
Зарубежные аналоги:	Известны

 
 
Химический состав в % материала   45Х14Н14В2М

ГОСТ   5632 - 72

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	W
0.4 - 0.5	до   0.8	до   0.7	13 - 15	до   0.02	до   0.035	13 - 15	0.25 - 0.4	2 - 2.8

 

 
 
Технологические свойства материала 45Х14Н14В2М .

Свариваемость:

трудносвариваемая.

 

 
 
Механические свойства при Т=20oС материала 45Х14Н14В2М .

Сортамент	Размер	Напр.	?в	?T	?5	?	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Пруток, ГОСТ 5949-75			710	315	20	35		Отпуск 810 - 830oC, воздух,

 
 

 

Твердость   45Х14Н14В2М   после отжига ,     Пруток       ГОСТ 5949-75

HB 10 -1 = 197 - 285   МПа

 

 
 
Физические свойства материала 45Х14Н14В2М

T	E 10- 5	? 10 6	?	?	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20	2.08		14	8000		815
100	1.96		16			875
200	1.9	17	17	7930		945
300	1.81		19		507	1000
400	1.73	18	20	7840	511	1055
500	1.66		21		523	1098
600	1.57	18	22	7760	528	1142
700	1.49		24			1172
800	1.41	19		7660
T	E 10- 5	? 10 6	?	?	C	R 10 9

 

 
 
Обозначения:

Механические свойства :
?в	- Предел кратковременной прочности , [МПа]
?T	- Предел пропорциональности (предел  текучести для остаточной деформации), [МПа]
?5	- Относительное удлинение при  разрыве , [ % ]
?	- Относительное сужение , [ % ]
KCU	- Ударная вязкость , [ кДж / м2]
HB	- Твердость по Бринеллю , [МПа]

 
 

 

Физические свойства :
T	- Температура, при которой получены  данные свойства , [Град]
E	- Модуль упругости первого рода , [МПа]
?	- Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o - T ) , [1/Град]
?	- Коэффициент теплопроводности (теплоемкость  материала) , [Вт/(м·град)]
?	- Плотность материала , [кг/м3]
C	- Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o - T ), [Дж/(кг·град)]
R	- Удельное электросопротивление, [Ом·м]

 
 

 

Свариваемость :
без ограничений	- сварка производится без подогрева  и без последующей термообработки
ограниченно свариваемая	- сварка возможна при подогреве  до 100-120 град. и последующей термообработке
трудносвариваемая	- для получения качественных  сварных соединений требуются  дополнительные операции: подогрев  до 200-300 град. при сварке, термообработка  после сварки - отжиг

 
 

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

 

Задание 66 

 

Какие твердые сплавы существуют? Опишите их состав, свойства, область применения их как режущего инструмента. 

 

 

 

Порошковым твердым сплавом называется сплав, состоящий из тончайших частиц (зерен) карбидов, например WC, связанных твердым раствором WC в кобальте. В СССР ГОСТ 3882-61 предусматривает две группы металлокерамических (порошковых) твердых сплавов — вольфрамовые, состоящие из карбида вольфрама и кобальта, и титановольфрамовые, состоящие из карбида титана, карбида вольфрама и кобальта.

Металлокерамические или порошковые твердые сплавы применяются при изготовлении пластинок для оснастки инструмента при обработке металлов резанием, волок при волочении проволоки, бурового инструмента и других целей, в том числе для износоустойчивых детален (клапанов насосов, работающих в коррозионной среде, наконечников пескоструйных аппаратов, разных направляющих) и измерительного инструмент.

Микроструктура. 

Качество и режущие свойства порошковых твердых сплавов зависят от их микроструктуры. 

Светлые зерна WC являются очень твердыми, в режущем инструменте они служат элементарными режущими частичками, а твердый раствор WC в кобальте— относительно менее твердый, но более вязкий служит связкой (цементом), соединяющей между собой зерна WC. 

Чем мельче частички (зерна) и чем равномернее они распределены в микроструктуре, тем лучше режущие свойства и тем выше прочность металлокерамического (порошкового) вольфрамового твердого сплава данной марки. Крупные же зерна WC ухудшают свойства этих сплавов.   

Рисунок 2.  Микроструктура твердого сплава ВК15.

Карбид вольфрама WC почти не рястворяет титана, зато карбид титана TiC растворяет очень много вольфрама, например, до 70% при комнатной температуре и до 90% при высокой температуре. Чем мельче и равномернее распределены светлые зерна фазы WC, тем лучше режущие свойства и прочность твердого сплава Т15К6.

Избыток углерода в порошковых твердых сплавах вызывает появление в их микроструктуре графита, а при недостатке углерода образуется n1-фаза (W4Co4C).

Присутствие графита, n1-фазы и других посторонних включений в микроструктуре порошковых твердых сплавов ухудшает их качество.

Механические и физические свойства.  Предел прочности на изгиб и твердость порошкового твердого сплава зависят от содержания в нем кобальта. Чем больше в твердом сплаве кобальта и чем крупнее зерна карбидов, тем выше предел прочности на изгиб, но тем ниже твердость. Однако повышение содержания кобальта сверх 15% нарушает сплошной каркас из зерен карбида и резко снижает предел прочности на изгиб.

В случае уменьшения содержания кобальта и применения мелкозернистых карбидов, которые лучше растворяются в кобальте, вязкость и предел прочности на изгиб снижаются, но твердость и износостойкость увеличиваются.

Удельный вес характеризует степень пористости сплава. Высокая теплопроводность способствует отводу тепла от режущей кромки и увеличивает стойкость инструмента.

Красностойкость твердых сплавов, т. е. способность сохранять структуру и режущие свойства при высоких температурах, значительно выше красностойкости быстрорежущей стали. При этом чем меньше кобальта в сплаве и чем он мелкозернистее, тем выше крастостойкость. Титановольфрамовые сплавы обладают большей красностойкостью, чем однокарбидные вольфрамовые, что особенно важно при обработке стали. Кроме того, наличие карбида титана снижает коэффициент трения и увеличивает износостойкость дву-карбидных сплавов.