Контрольная работа по «Материаловедение»

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

"Национальный  минерально-сырьевой университет  "Горный"

 

Кафедра материаловедения и технологии художественных изделий

 

 

Контрольная работа

 

по курсу  «Материаловедение». Выполнил студент III курса института заочного обучения специальности ЭМзу-10 Быстров Андрей Викторович Шифр 0104031022 Работа сдана «__»_________2012 г. Проверил________________________________________________________________      «__»________2012 г.

 

 

 

Санкт-Петербург

2012

 

Часть 1. Вариант №2.

Определить  по диаграмме железо - цементит температуры  отжига сталей марок 40, У8 и У12. Какова температура нагрева этих сталей под закалку? Дать обоснование выбранным температурам нагрева сталей, описав структурные превращения в этих сталях при соответствующих режимах (и видах) термической обработки.

Рис.1. Диаграмма  «железо – цементит».

 

Нанесём на диаграмме "железо - цементит" (показана только используемая нами для  решения задачи часть диаграммы) вертикальные линии:

I - соответствует  стали с содержанием углерода 0,4 %;

II - соответствует  стали с содержанием углерода 0,8 %;

III - соответствует  стали с содержанием углерода 1,2 % (рис. 2).

Двигаясь  вдоль этих линий сверху вниз (при  нагреве) или снизу вверх (при  охлаждении) можно описать процессы, происходящие в сталях 40, У8 и У12 соответственно.

Рис. 2.

 

На рис. 2 показаны температурные интервалы различных видов отжига первого рода: 1 - гомогенизация; 2 - низкотемпературный отжиг (высокотемпературный отпуск) для снижения твёрдости и рекристаллизационный отжиг; 3 - отжиг (отпуск) для снятия напряжений; 4 - полный отжиг с фазовой перекристаллизацией; 5 - нормализация доэвтектоидных сталей; 6 - нормализация заэвтектоидной стали для разрушения цементитной сетки; 7 - сфероидизация; 8 - неполный отжиг доэвтектоидной стали.

При установлении при помощи рисунка температурных  интервалов различных видов отжига следует иметь в виду, что сталь 40 - доэвтектоидная, У8 - эвтектоидная, У12 - заэвтектоидная. Температурные интервалы находятся как диапазоны ординат точек пересечения прямых I, II, III с верхними и нижними границами заштрихованных областей. Например, для стали 40 с точностью даваемой рисунком можно установить, что температурный интервал нормализации составляет 850 ... 880 ºC, полного отжига с фазовой перекристаллизацией - 820 ... 840 ºC и т. д.

Отжигом называют процесс термической обработки, заключающийся в нaгpeвe стали до определенной температуры и последующем, как правило, медленном охлаждении для получения более равновесной структуры.

Отжиг является предварительной операцией термической  обработки, подготавливающей структуру  стали к последующим технологическим  операциям, например, к обработке  заготовок на металлорежущих станках  и окончательной термической  обработке (закалке с отпуском) деталей.

Но отжиг  используют и как окончательную  термическую обработку в том  случае, если получаемые в результате этой операции свойства удовлетворяют  требованиям, предъявляемым к данной детали.

Полный  отжиг характеризуется нaгревом стали на 20-30°С выше температуры интервала превращений, выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением до температуры ниже интервала превращений.

При таком  отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация.

Данному виду отжига подвергают доэвтектоидную сталь (в нашем случае - сталь 40) с неравномерным или крупным зерном, а также с полосчатой структурой для создания мелкой зернистости, понижения твердости и повышения пластичности, снятия внутренних напряжений, улучшения обрабатываемости.

При полном отжиге доэвтектоидную сталь нагревают  до температуры на 20-30°С выше температуры в точке Ас₃, т. е. на 20-30°С выше линии GS диaгpaммы железо-цементит.

 
Рис.3. Температура нагрева стали для отжига и нормализации.

 

1-полный отжиr; 2-отжиг на зернистый перлит; 3-неполны отжиr; 4-рекристаллизационный отжиr; 5-диффузионныйотжнr; 6-нормализация

 

При нaгpeвe до такой температуры крупная исходная феррито-перлитная структура превращается в мелкую структуру аустенита. При последующем медленном охлаждении для углеродистой стали со скоростью 120-150°С/ч до 450-550°С и далее на воздухе из мелкозернистого аустенита образуется мелкая феррито-перлитная структура.

Заэвтектоидную, такую как сталь У12, полному отжигу не подвергают. Для полного отжига заэвтектоидную сталь нужно нaгpeвaть до температуры на 20-30°С выше точки Аст, т.е. на 20-30°С выше линии SE диаграммы железо-цементит.

При нaгpeвe до такой температуры будет происходить превращение исходной структуры цементит и перлит в структуру аустенита. При последующем медленном охлаждении цементит будет выделяться по границам зерен аустенита и после превращения аустенита в перлит при температурах нeмнoгo ниже температуры в критической точке Ar₁, в результате образуется структура цементит и перлит, но цементит будет расположен в виде сетки по границам зерен перлита. Сталь с такой структурой имеет низкую вязкость, неравномерное распределение твердости по сечению, плохо обрабатывается на станках.

 
Рис.4. Схема изменения структуры доэвтектоидной стали при отжиrе и нормализации

 

Неполный  отжиг характеризуется нaгpeвoм  стали до одной из температур в  интервале превращений (выше точкиА_С1, но ниже точки Ас₃), выдержкой и медленным охлаждением. При таком отжиге происходит перекристаллизация только перлита, а избыточная фаза (в доэвтектоидных сталях-феррит) остается без изменения.

Изотермический  отжиг заключается в нaгpeвe до температуры выше температуры в  точке Ас₃ для доэвтектоидной и А_С1 для заэвтектоидной стали, выдержке, ускоренном охлаждении до температуры нeмнoгo ниже температуры в точке Ar₁, энзотермической выдержке при этой температуре для завершения перлитноrо превращения и охлаждения на воздухе.

Рассмотрим  процессы, происходящие при нагреве эвтектоидной стали (У8) При нагреве стали выше А₁ перлит превращается в аустенит. Этот процесс протекает в 2 этапе.

1. Кристаллическая  решетка феррита (ОЦК) перестраивается  в решетку аустенита (ГЦК)

2. Цементит  растворяется в аустените

Первый  этап протекает достаточно быстро. Второй требует определенного времени (на диффузию атомов углерода из Fe₃C в аустенит). Время это тем меньше, чем больше разница между А₁ и фактической температурой нагрева.

Например  при 740⁰ П ® А за 8 мин., при 780⁰ за 2 минуты.

Продолжительность этого этапа зависит и от размера  частиц цементита - чем они меньше, тем быстрее они растворяются в аустените.

Процесс превращения перлита в аустенит протекает путем зарождения в  перлите многочисленных зерен аустенита  и последующего их роста. Процесс  заканчивается, когда зерна аустенита  полностью заполняют объем исходного  перлитного зерна (см.рис.4). Размер образовавшихся аустенитных зерен (начальное зерно аустенита) будет намного меньше исходного перлитного зерна.

При дальнейшем повышении температуры зерна  аустенита растут путем перемещения  границ, а число зерен естественно  уменьшается.

Закалкой  называется процесс термической  обработки, заключающийся в нaгpeвe стали до температуры выше критической  и последующем достаточно быстром  охлаждении для получения вместо механической смеси фаз пересыщенного  твердoгo раствора с искаженной решеткой (мартенсита). 
В результате закалки прочность и твердость стали повышаются, а пластичность снижается.

Температуру нагрева при закалке углеродистых сталей выбирают по левой нижней части диаграммы железо-цементит.

При закалке  доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30-50°С выше температуры и верхней критической точке Ас₃, т.е. выше линии GS диаграммы железо-цементит.

 
Рис.5. Оптимальный интервал температур закалки для углеродистой стали

 

При таком  нагреве исходная феррито-перлитная  структура превращается в аустенит, а после охлаждения со скоростью  больше критической образуется структура  мартенсита.

При нагреве  доэвтектоидной стали до более низкой температуры, например выше критической  точки Ас₁, т.е. выше линии PS диаграммы железо--цементит, но ниже точки Ас₃ структура и свойства стали будут изменяться следующим образом: исходная феррито-перлитная структура при таком нагреве не будет полностью превращаться в аустенит, а часть феррита останется не превращенным и структура будет аустенит и феррит.

Феррита в стали останется тем больше, чем температура нагрева ближе  к температуре в точке Ас₁. Структура после охлаждения будет мартенсит и феррит. Феррит, имеющий низкую твердость, понижает общую твердость закаленной стали; такая закалка называется неполной. При закалке заэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30-50°С выше температуры в нижней критической точке, т.е. выше линии SK диаграммы железо-цементит.

Так как  эта линия горизонтальная и соответствует  температуре 727°С, для заэвтектоидной стали можно указать интервал температуры нагрева для закалки 760-790°С. При таком нагреве исходная структура перлит и цементит не будет полностью превращаться в аустенит, а часть вторичного цементита останется нерастворенной и структура будет аустенит и цементит. После охлаждения со скоростью больше критической аустенит превратится в мартенсит. Структура заэвтектоидной стали будет состоять из мартенсита и цементита; такая закалка будет неполной. Но если неполная закалка доэвтектоидных сталей ухудшает их свойства, то неполная закалка заэвтектоидных сталей улучшает их свойства и является нормальной. Это объясняется тем, что в заэвтектоидных сталях в результате неполной закалки сохраняется избыточный цементит, обладающий большей твердостью по сравнению с мартенситом.

 

Часть 2. Вариант №2.

Вариант 1

 

1. Сварные части корпуса реакторов АЭС ( обечайки , днища и крышки)

изготавливаю  методом штамповки. Обосновать выбор достаточно экономичной  стали для этих изделий, учитывая необходимость их длительной эксплуатации при температурах до 600^оС. Привести марку стали, химический состав и роль легирующих элементов. Назначить режим термической обработки, обеспечивающей необходимый комплекс свойств. Указать окончательную структуру и механические свойства стали.

Корпус  реактора работает в очень жёстких  условиях: высокое давление, температура  и скорость движения теплоносителя, мощные потоки радиационного излучения. Кроме того, вода, даже очень высокой  степени очистки, является коррозионно-активной средой.

 Корпус представляет собой вертикальный цилиндр с эллиптическим днищем, внутри которого размещаются активная зона и внутрикорпусные устройства. Он состоит из фланца, двух обечаек зоны патрубков, опорной обечайки, двух цилиндрических обечаек и днища.

Учитывая  вышесказанное, а также длительный цикл эксплуатации оборудования к материалу  корпуса реактора предъявляются  следующие требования: высокая коррозионная стойкость и технологические  свойства (обрабатываемость давлением, хорошая свариваемость), удовлетворительный комплекс механических свойств, жаропрочность.

Наиболее  оптимальным является применение коррозионно-стойкой жаропрочной стали аустенитного класса-08Х18Н10Т.

Рассмотрим  особенности влияния легирующих элементов на структуру стали 12Х18Н10Т. Основными легирующими элементами данной марки стали являются Cr-Ni. Однофазные стали имеют устойчивую структуру однородного аустенита с незначительным содержанием карбидов Ti (для предупреждения межкристаллитной коррозии. Такая структура получается после закалки с температур 1050^оС-1080^оС). Стали аустенитного класса имеют относительно небольшой уровень прочности (700-850МПа).

 Хром, содержание которого в этой  стали составляет 17-19%, представляет  собой основной элемент, обеспечивающий  способность металла к пассивации  и обеспечивающий ее высокую  коррозионную стойкость. Легирование  никелем переводит сталь в  аустенитный класс, что имеет  принципиально важное значение, так как позволяет сочетать высокую технологичность стали с уникальным комплексом эксплуатационных характеристик. В присутствии 0,1% углерода сталь имеет при >900^оС полностью аустенитную структуру, что связано с сильным аустенитообразующим воздействием углерода. Соотношение концентраций хрома и никеля оказывает специфическое воздействие на стабильность аустенита при охлаждении температуры обработки на твердый раствор (1050-1100^оС). Кроме влияния основных элементов, необходимо учитывать также присутствие в стали кремния, титана и алюминия, способствующих образованию феррита.

Табл. 1 Химический состав в % материала 12Х18Н10Т ГОСТ 5632 – 72

 

Табл. 2 Механические свойства материала 12Х18Н10Т при Т=20^oС

 

 

2. Выбрать сплав для магнитопроводов электрических машин и аппаратов (роторов и статоров асинхронных двигателей , сердечников трансформаторов и т . п .) Перечислить требования , предъявляемые к материалам этого назначения. Привести марку, химический состав , структуру и физические свойства сплава. Описать технологию изготовления и термической обработки данных изделий, объяснить ее влияние на физические и механические свойства сплава .