Контрольная работа по дисциплине "Материаловдение"

1. Выберите углеродистую сталь для изготовления пил. Назначьте режим термической обработки, опишите сущность происходящих превращений, структуру и свойства инструмента.

Для изготовления пил чаще всего применяется инструментальная углеродистая сталь У11А, т.к. острие пилы при трении нагревается до достаточно высокой температуры.

Химический состав приведен в таблице.

Массовая доля элемента, %
Углерода	Кремния	Марганца	Серы	Фосфора
			не более
1,05–1,14	0,17–0,33	0,17–0,28	0,018	0,025

 

Термическая обработка состоит из двух этапов: предварительная и окончательная.

Предварительная термическая обработка применяется для уменьшения деформации (в 1,5–2 раза) при последующей закалке. Она заключается в предварительной закалке с 740–770 °С с охлаждением в масле и последующем отпуске при 600 °С (1 ч).

Окончательная термическая обработка состоит из закалки и низкого отпуска, режимы которых указаны в таблице ниже.

Закалка		Отпуск
Tз, °С	Твердость HRCЭ	Тотп, °С	Твердость HRCЭ
760–780	64–66	200–250	58–59

 

Мелкие инструменты, в частности пилы (диаметром до 120 и длиной до 250 мм), целесообразно нагревать под закалку в соляных ваннах (70 % BaCl2 + 30 % NaCl), так как при этом не надо защищать детали от окисления и обезуглероживания.

Углеродистая сталь имеет высокую критическую скорость закалки — порядка 250°С/с. Замедление охлаждения при закалке недопустимо, так как приводит к частичному распаду аустенита при температурах перлитного интервала и, как следствие, к появлению мягких пятен.

 

 

 

 

2. Для изготовления деталей штампов, обрабатывающих металл в горячем состоянии, выбрана сталь 5ХНМА. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке этой стали. Опишите микроструктуру и свойства штампов после термической обработки.

Сталь 5ХНМА характеризуется невысокой теплостойкостью (350-450° С) и повышенной ударной вязкостью (более 4 кгс·м/см2 на образцах с надрезом).

Температуры отжига с непрерывным охлаждением,  изотермического отжига,   высокого отпуска и твердость (НВ) стали после этих видов термической обработки показаны в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Крити-ческие точки, °С		Изотермический отжиг			Отжиг с непрерывным охлаждением		Высокий отпуск
Ac1	Ас3	Температура, °С		Твердость НВ	Температура нагрева,  °С	Твердость НВ	Температура нагрева, °С	Твердость НВ
		нагрева	изотермической выдержки
730	780	760—790	650—660	197 — 229	760—790	197 — 241	680 — 700	207 — 241

 

Режимы закалки и отпуска деталей штампового инструмента горячего деформирования, величина зерна и твердость  после окончательной термической обработки приведены в таблице 2.2.

 

Таблица 2.2

 

Закалка		Балл зерна	Твердость HRC	Отпуск
Температура, °С				Температура нагрева, °С	Твердость HRC
Подогрева	Окончательного нагрева
700-750	840-860	-	56-60	500-550	38-41

 

Технологические режимы процессов поверхностного упрочнения штампов показаны в таблице

Наименование процесса	Среда	Компоненты	Температура процесса, °С	Время процесСА, ч	Толщина слоя, мм	Твердость слоя HV
Азотирование	Газовая	Аммиак, степень диссоциации  25—40%	480—560	40—50	0,3—0,5	65СМ-70С
Борирование	Жидкая	Карбид бора В4С — 84%, бура — 16%, хлористый аммоний — 3%	950	8 — 10	0,5—1	До 2500

 

3. Назначьте нержавеющую сталь для работы в слабоагрессивных средах (водные растворы солей и т.п.). Приведите химический состав стали, необходимую термическую обработку и получаемую структуру. Объясните физическую природу коррозийной устойчивости стали и роль каждого легирующего элемента.

Стойкость сталей против химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой) наблюдается у стали мартенситного класса.

Мартенситный класс – стали с основной структурой мартенсита (хромистые стали с 12–17 % Cr, содержащие более 0,25 % С и, специальные добавки Мо, W, V и небольшое количество Ni — до 3 %).

Для деталей, работающих в слабоагрессивных средах (водопроводная вода, водные растворы солей и т.д.), подходит сталь 20Х13, имеющая химический состав, приведенный в таблице (указаны процентные содержания элементов).

С	Si	Mn		Сr	Ni	Ti	Nb	S	P
	Не более							Не более
0,16–0,25	0,8		0,8	12,0–14,0	–	–	–	0,025	0,030

 

 

Характеристики механических свойств и режимы термической обработки нержавеющей стали указаны в таблице ниже.

Режим термической обработки,  температура (°С), среда охлаждения	σВ	σ0,2	δ5	ψ	КСU, Дж/см2
	МПа		%
	Не менее
Закалка,1000–1050, воздух или масло; отпуск, 660–770, воздух, масло или вода	660	450	16	55	80

 

Эту сталь применяют преимущественно в термически обработанном состоянии, часто с тщательно шлифованной, а иногда и полированной поверхностью.

Структура и свойства стали в значительной степени зависят от содержания в них углерода: с понижением содержания углерода в этих сталях появляется структурно свободный феррит, ухудшающий механические свойства, и они переходят из мартенситного в мартенситно-ферритный и даже чисто ферритный классы; коррозионная стойкость их при этом несколько повышается. С повышением содержания углерода снижается коррозионная стойкость, увеличивается твердость, но возрастает хрупкость.

 

 

 

4. Для обшивки  летательных аппаратов использован  сплав ВТ6. Приведите состав сплава, режим упрочняющей термической обработки  и получаемую структуру. Опишите процессы, протекающие при термической обработке. Какими преимуществами обладает сплав ВТ6 по сравнению с ВТ5?

Состав сплава ВТ6 приведен в таблице. Указаны процентное содержание легирующих элементов

Ti

Al

V

Mo

Sn

Zr

Mn

Cr

Si

Fe

O

H

N

C

основа

5,3–6,8

3,5–5,3

–

–

0,30

–

–

0,10

0,60

0,20

0,015

0,05

0,10

 

На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. На рисунке 4.1 представлены схемы диаграмм состояния «титан-легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.

α-стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения α↔β и расширяют область твердых растворов на основе  
α -титана (рис. 4.1, а). Учитывая охрупчивающее действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой  
α-структурой термической обработкой не упрочняются.

Изоморфные β-стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру α↔β-превращения и расширяют область твердых растворов на основе β-титана (рис. 4.1, б).

Эвтектоидообразующие β-стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении β-фаза претерпевает эвтектоидное превращение β→α+TiХ (рис. 17.1, в). Большинство β-стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность. Кроме того, сплавы с (α↔β) и псевдо-b -структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение).

Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов (рис. 4.1, г).

Полиморфное β→α-превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму с образованием полиэдрической структуры твердого a -раствора. При быстром охлаждении — по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, обозначаемой α´ или при большей степени легированности — α´´. Кристаллическая структура α, α´, α´´ практически однотипная (ГПУ), однако решетка α´ и α´´ более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. При старении из фаз α´ и α´´ выделяется β-фаза или интерметаллидная фаза.

Рис. 4.1. Диаграммы состояний систем «Тi-легирующий элемент» (схемы):

а) «Тi-a -стабилизаторы»; б) «Тi-изоморфные b -стабилизаторы»;

в) «Тi-эвтектоидообразующие b -стабилизаторы»; г) «Тi-нейтральные элементы»

 

Рис. 4.2. Влияние легирующих элементов на механические свойства титана

В отличие от мартенсита углеродистых сталей, являющегося раствором внедрения и характеризующегося высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит является раствором замещения, и закалка титановых сплавов на мартенсит α´ приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.

Фазовые превращения, происходящие при медленном и быстром охлаждении титановых сплавов с различным содержанием β-стабилизаторов, а также получаемые структуры отражены на обобщенной диаграмме (рис. 4.3). Она справедлива для изоморфных β-стабилизаторов (рис. 4.1, б) и, с некоторым приближением, для эвтектоидообразующих β-стабилизаторов (рис. 4.1, в), так как эвтектоидный распад в этих сплавах происходит очень медленно, и им можно пренебречь.