Контрольная работа по "Материаловедение"

Контрольная работа

Вариант 4

 

1. Железо и его сплавы. Классификация, маркировка и свойства чугунов.

Железо составляет более 5% земной коры. Для извлечения железа используются в основном такие руды, как гематит (Fe₂O₃, содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит, Fe₃О₄; содержит 72,4% Fe), бурые железняки (руда гидрогетит НFeO₂· nH₂O), а также шпатовые железняки (руда сидерит, карбонат железа, FeСО₃; содержит около 48% Fe). Железо проявляет умеренную химическую активность. Оно горит в атмосфере кислорода, образуя оксид Fe₂O₃. В мелкораздробленном состоянии металл пирофорен, т.е. способен самовозгораться на воздухе. Тонкий порошок железа можно получить при термическом разложении оксалата железа в атмосфере водорода.

Железо и его сплавы, важнейшие конструкционные материалы в технике и промышленном производстве. Из сплавов железа с углеродом изготавливаются почти все конструкции в машиностроении и тяжелой промышленности. На долю стали приходится около 95% всей металлической продукции. [3]

Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых. Магнитная окись железа — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п. Также железо входит в большинство магнитных сплавов.Сплавы железа с углеродом (стали, чугуны) являются наиболее распространенными материалами в машино- и приборостроении.

Углерод (С) в железоуглеродистых сплавах находится в химически  связанном или свободном состоянии. В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы образуют ряд структурных составляющих (фаз).

Феррит (Ф) – твердый  раствор внедрения углерода в (-железе, имеет кубическую объемно-центрированную решетку, максимальная растворимость при 727°С составляет 0,02% С.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в железе, имеет кубическую гранецентрированную решетку. Аустенит немагнитен, имеет твердость НВ 160 .

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3С), содержит 6,67%С, температура  плавления точно не установлена и принимается примерно равной 1260°С. Цементит магнитен, характеризуется высокой твердостью (>НВ 800) и очень низкой пластичностью.

Графит представляет собой свободный углерод, он мягок, обладает низкой прочностью и электропроводностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений. Форма графитовых включений оказывает влияние на механические и технологические свойства сплавов.

Перлит (П) – эвтектоидная механическая смесь феррита и  цементита, содержащая 0,83% С; образуется при 727°С в результате распада аустенита в процессе его охлаждения. Перлит может быть пластинчатым или зернистым.

Ледебурит (Л) – механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, образующаяся из жидкого расплава при 1147°С и при содержании 4,3% С. Твердость НВ 600-700, хрупок.

Помимо упомянутых составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть неметаллические включения (соединения с кислородом, азотом, серой, фосфором и др.), которые с железом образуют различные фазы.

Хлорид железа III (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат. Десятиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве. Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.

Чугун выплавляют из шихты, содержащей куски обогащенной руды, в присутствии восстановителя (кокса) и флюсов (обычно доломита CaCO3 MgCO3). Снизу  в доменную печь вдувают воздух, обогащенный кислородом.

Основным преимуществом  чугуна, является его свойство, как  конструкционного материала, легкого в обработке и широко используемого практически во всех сферах машиностроения. Классификация чугуна основывается на содержании в его сплаве железа и углерода. Обычно, процентное соотношение углерода в современном чугуне, начинается от 2,14%, то, что менее этого значения уже относится к сталям. Еще одним основным отличием чугуна от стали является соединение углерода в материале в виде графита и цементита, так как в стали он содержится в соединениях другого типа. [5] Виды чугуна: — белый чугун, светлый  на излом, структура чугуна включает в себя соединения ледебурита, цементита  и перлита. Стойкий к коррозии и износоустойчив. Практически весь углерод находится в цементите; — серый чугун, является основным материалом в литейном производстве. Основной состав: железо, кремний и  углерод (графит в пластинчатой форме) в процентом отношении 1,2-3,5%. Имеет примеси Mn, P, S; — ковкий чугун, еще одна классификация чугуна, определяющая состав материала, в котором углерод находится в виде графита (хлопья). Основное применение этого чугуна — детали в машиностроении, имеющие сложную форму и повышенные требования к прочности. Высокая степень вязкости и пластичности; — высокопрочный чугун, содержит в своей основе шаровидный графит. Обладает высокой прочностью и высокими эксплуатационными характеристиками, благодаря своей долговечности. Для работы в узлах  трения со смазкой применяют отливки  из антифрикционного чугуна АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ - антифрикционный чугун: С - серый, В - высокопрочный, К - ковкий. А цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585-79. Классификация чугуна включает в себя следующие маркировки материала: - литейный, используется  для отливок, имеет содержание  углерода не более 3,75%. Углерод  присутствует в материале в  виде графита. Маркировка чугуна  принята, как ЛК и ЛД, где  Л — литейный, а К и Д вид  топлива на котором выплавлен чугун (К- коксовый, Д — древесноугольный); - передельный чугун,  используется для переработки  материала в сталь. Характеристики передельного чугуна отличаются низким содержанием примесей Si и Mn. Чугун хрупок, при ударе  он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры, любые изделия, которые должны работать на изгиб. Твердый чугун легче  расплавленного, так что при его  затвердевании происходит не сжатие (как обычно при затвердевании  металлов и сплавов), а расширение. Эта особенность позволяет изготавливать из чугуна различные отливки, в том числе использовать его как материал для художественного литья. Если содержание углерода в чугуне снизить до 1,0-1,5%, то образуется сталь. Стали бывают углеродистыми (в таких сталях нет других компонентов, кроме Fe и C) и легированными (такие стали содержат добавки хрома, никеля, молибдена, кобальта и других металлов, улучшающие механические и иные свойства стали). Стали получают, перерабатывая чугун и металлический лом в кислородном конвертере, в электродуговой или мартеновской печах. При такой переработке снижается содержание углерода в сплаве до требуемого уровня, как говорят, избыточный углерод выгорает. [8] Физические свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, ее можно ковать, прокатывать. Так как сталь, в отличие от чугуна, при затвердевании сжимается, то полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прокатки в объеме металла исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов. Маркировка чугуна передельный чугун П1, П2   передельный чугун для  отливок ПЛ1,  ПЛ2   передельный фосфористый чугун ПФ1,  ПФ2,  ПФ3   передельный высококачественный чугун ПВК1,  ПВК2,  ПВК3   чугун с пластинчатым графитом (серый чугун) СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм) антифрикционный чугун АЧС  АЧВ  АЧК (антифрикционный серый)  (антифрикционный высокопрочный)  (антифрикционный ковкий) чугун с шаровидным графитом для отливок  (высокопрочный чугун) ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлиненние(%) чугун легированный со специальными свойствами Ч

2. Механические свойства металлов и сплавов. Усталостная прочность. Испытание на усталость.

Механические свойства металлов и сплавов определяются тем, как они воспринимают внешние нагрузки, т.е. сопротивляются деформированию и разрушению. При их деформировании  наблюдается два различных вида деформаций – упругие и пластические, – которые отличаются и внешними проявлениями и внутренними механизмами. Понятно, что свойства, определяющие упругое и пластическое состояние металлов, должны описываться разными характеристиками.

Упругие деформации происходят  за счет изменения межатомных расстояний, поэтому они не изменяют структуру металла и являются обратимыми. Обратимость означает, что после снятия нагрузки остаточная деформация отсутствует.

Пластические  деформации возникают за счет образования  и движения дислокаций,  они изменяют структуру и свойства металла. После снятия нагрузки деформации остаются, т.е. пластические деформации носят необратимый характер. [2]

Трещины в  металлах зарождаются и развиваются  не только при статических нагрузках, но и под  действием циклических напряжений.  Усталостная трещина зарождается в поверхностных слоях (это её отличительный признак) и с каждым циклом медленно развивается вглубь. Разрушение происходит, когда из-за уменьшения сечения действующие напряжения превысят разрушающие.

Накопление  повреждений означает, что чем  больше циклов нагружения, тем меньше должна быть величина нагрузки, чтобы металл «работал», не разрушаясь.     Процесс постепенного накопления повреждений в металле называется усталостью. Свойство противостоять усталости называется выносливостью.    Её важнейшей характеристикой является предел выносливости. Он  показывает наибольшее напряжение цикла, при котором не происходит усталостного разрушения после заданного числа циклов.       Чаще используют симметричные знакопеременные циклы (поочередно действуют одинаковые по амплитуде сжимающие и растягивающие напряжения), в таких случаях предел выносливости  обозначается σ_-1. Испытания на усталостную прочность регламентированы  в ГОСТ 25.502.79 и в ГОСТ 25.505-85

Вторая по важности характеристика выносливости - усталостная долговечность. Она  определяет число циклов, которое  металл может выдержать при заданном напряжении.    Определяется также вероятность разрушения при заданном уровне нагружения и заданном числе циклов (или допустимое напряжение  при заданной вероятности разрушения).   Важной характеристикой сопротивления усталости является скорость роста трещины при усталости и циклическая вязкость (циклическая трещиностойкость) К^ц_1с. При их определении фиксируют длину трещины по мере увеличения числа циклов, а нагружение проводится на частотах 15-20 Гц.

Способность металла работать в условиях циклических  нагрузок существенно зависит от условий нагружения.

А). При относительно небольших напряжениях (которым  соответствуют упругие деформации) усталостная долговечность велика – металл сохраняет целостность при большом числе циклов.  Многоцикловые характеристики определяются при базе испытаний 10⁶ – 10⁸  циклов на частотах 10-300 Гц.

Б). При значительных нагрузках (в области упруго-пластических деформаций) усталостная долговечность намного меньше. Параметры малоцикловой усталости определяются при базе испытаний до 5*10⁴   на частотах 3 - 5 Гц.

В). Циклические  изменения температуры при постоянном напряжении (или на фоне циклических нагрузок) сопровождаются упругопластическими деформациями. Это приводит к термической  усталости.  Способность материала сопротивляться разрушению в условиях проявления термической усталости называется термостойкостью. Показатель термостойкости – количество термоциклов при заданной нагрузке до разрушения (ГОСТ 25.502.79). [4]

Получение усталостных характеристик является очень дорогим и трудоёмким процессом. Поэтому для приближенной оценки предела усталости его  часто определяют  через другие известные характеристики, например σ_-1 = kσ_в. Коэффициент k имеет разные значения не только для разных сплавов, но и для разных состояний одного и того же металла.  Например, для отожженных алюминиевых термически неупрочняемых сплавов k = 0/4-0/6, а для термоупрочненных алюминиевых сплавов k = 0.3.

Характеристики  выносливости зависят от сочетания  прочностных, пластических свойств и особенностей структуры. На выносливость всех металлов и сплавов отрицательно влияют примеси и грубые фазовые включения, особенно неметаллические. Увеличение размеров таких включений всего в два раза может уменьшить усталостную долговечность в 10 – 100 раз.  

Поскольку усталостные  трещины зарождаются на поверхности, то особое значение для повышения  долговечности при циклических  нагрузках имеет состояние поверхности. Полировка, поверхностное упрочнение увеличивают величину предела выносливости.

Усталость — разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести. Процесс усталости состоит из трех этапов, соответствующие этим этапам зоны в изломе показаны на рисунке 1. Усталостная прочность – способность материала сопротивляться усталости.

 

Рисунок 1 — Схема  зарождения и развития трещины при  переменном изгибе круглого образца

1 – образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение;

2 – постепенное распространение трецины, гладкая притертая поверхность;

3 – окончательное разрушение, зона “долома“, живое сечение уменьшается, истинное напряжение увеличивается, пока не происходит разрушение хрупкое или вязкое.

Испытание на усталость чаще всего проводят на вращающемся образце с приложением постоянной изгибающей нагрузки. Напряжения в каждой точке образца за один оборот изменяются от положительных (растяжение) до отрицательных (сжатие), т.е. меняются по закону синусоиды, как представлено на рисунке 2. При таком нагружении отношение максимальной и минимальной величин напряжений равно -1. Испытания выполняются следующим образом. При заданном напряжении определяется количество циклов до разрушения, полученное значение наносится на график п — а, где п — число циклов. В результате получают кривую усталости, как представлено на рисунке 3. Как видно на этой кривой, существует напряжение, которое вообще не вызывает разрушения, это и есть предел выносливости, т. е. при напряжениях ниже, чем а деталь может работать сколь угодно долго. [7]

Рис. 2. – График нагружения при испытании на усталость Кривая усталости строится для симметричных циклов нагружения. По оси абсцисс на логарифмической шкале откладывают количество циклов, по оси ординат напряжения:

 

Рис. 3 — Кривая усталости

Предел выносливости материала определяют с помощью  испытаний серий одинаковых образцов (не менее 10 шт.): на изгиб, кручение, растяжение-сжатие или в условиях комбинированного нагружения (последние два режима для имитации работы материала при асимметричных циклах нагружения или в условиях сложного нагружения).

Испытание начинают проводить  при высоких напряжениях (0,7 — 0,5 от предела прочности), при которых образец выдерживает наименьшее число циклов. Постепенно уменьшая напряжения можно обнаружить, что стальные образцы не проявляют склонности к разрушению независимо от длительности испытания. Опыт их испытания показывает, что если образец не разрушился до циклов, то и при более длительном испытании он не разрушится. Поэтому это число циклов обычно принимают за базу испытаний и устанавливают то наибольшее значение максимального напряжения цикла, при котором образец не разрушается до базы испытаний. Это значение и принимают за предел выносливости.

 

3. Расшифровать марки сплавов на основе меди: ЛК 80-3, БрОЦС 5-5-5.