Контрольная работа по "Материаловедение"

Содержание

Задание 1	3
Задание 2	7
Задание 3	11
Список литературы	13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание 1: По диаграмме состояний железо-цементит опишите, какие структурные и фазовые превращения будут происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с содержанием углерода С = 3,1%. Охарактеризуйте этот сплав и определите для него при температуре 920° С количество, состав фаз и процентное соотношение. Постройте кривую охлаждения сплава.

Решение 1:  Диаграмма (рис. 1) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). По оси ординат отложены температура, а по оси абсцисс – концентрация углерода в процентах. Левая ордината соответствует содержанию 100% Fe, а правая ордината – содержанию 6,67% С или 100% цементита Fe3C.

Рис. 1. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

 

Температура плавления железа – 1535° С (точка А на диаграмме); температура плавления цементита Fe3C – 1550° С (точка D на диаграмме); температура 910° С (точка G) соответствует аллотропическому превращению железа α ↔ γ; точка Е характеризует максимальную растворимость углерода в γ железе при 1130° С (2,0% С); линия ACD – линия начала кристаллизации сплавов (линия ликвидуса); линия AECF —линия конца кристаллизации сплавов (линия солидуса); линия GSE – линия начала перекристаллизации сплавов в твердом состоянии; линия PSK (температура 723° С) – линия конца превращений структурных составляющих в твердом состоянии.

Чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим. Чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода, называют доэвтектическими, а от 4,3 до 6,67% углерода – заэвтектическими. Таким образом в задании дан доэвтектический чугун.

 

Рис. 2. Диаграмма состояния железо-цементит и кривая охлаждения доэвтектического чугуна с С = 3,1%

 

Доэвтектические чугуны начинают кристаллизацию в точке 1, где при последующем охлаждении происходит выделение из жидкой фазы кристаллов аустенита переменного состава, концентрация которого определяется линией JE, а жидкого расплава – линией ликвидус BС. В точке 2 содержание углерода в расплаве достигает 4,3% и при постоянной температуре 1147 °С оставшийся расплав кристаллизуется в эвтектику (дисперсную смесь аустенита, содержащего 2,14%С, и цементита), называемая ледебуритом LC →АE+Ц. При дальнейшем охлаждении (участок 2 – 3) аналогично заэвтектоидной стали из аустенита (структурно свободного и входящего в состав ледебурита) выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита. Аустенит при этом обедняется углеродом и при температуре 727°С приобретает состав, соответствующий эвтектоидному. В точке 3 начинается эвтектоидное превращение аустенита в перлит при постоянной температуре 727 °С (площадка 3-3’). Перлит образуется из структурно свободного аустенита и из аустенита, входящего в состав ледебурита. Ледебурит, состоящий из смеси цементита и перлита, носит название видоизмененного ледебурита Лвид (П+Ц) в отличие от ледебурита состава Л (А+Ц). При дальнейшем охлаждении от точки 3 происходит выделение избыточного углерода из феррита, входящего в перлит и видоизмененный ледебурит, в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита и ледебурита. Третичный цементит не влияет на свойства чугунов из-за незначительного количества, по сравнению с общим количеством цементита в чугунах. Конечный состав доэвтектического чугуна П+Лвид+ЦII, поэтому такой чугун называют перлито-ледебурито-цементитным чугуном.

Ниже приводятся описания структурных составяющих сплава.

Аустенит — твердый раствор углерода в Feγ Он имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба и под микроскопом представляется в виде светлых зерен с характерными двойными линиями. Твердость аустенита НВ 220; он немагнитен и при охлаждении сплавов существует только до температуры 723° С

Цементит или карбид железа Fe3C обладает высокими твердостью (НВ 800) и хрупкостью; различают три формы цементита:

а) первичный цементит (Ц1), выделяющийся при первичной кристаллизации из жидкого сплава;

б) вторичный цементит (Ц2), выделяющийся из твердого раствора аустенита;

в) третичный цементит (Ц3), выделяющийся из твердого раствора феррита.

Все формы цементита имеют одинаковое кристаллическое строение и свойства, но различную величину частиц-пластинок или зерен. Наиболее крупными являются частицы первичного цементита, а наиболее мелкими – частицы третичного.

До температуры 210° С цементит обладает магнитными свойствами.

Перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита. Образуется из аустенита при перекристаллизации сплава в твердом состоянии и содержит 0,8% С. Перлит имеет пластинчатое или зернистое строение, в зависимости от этого его механические свойства колеблются в следующих пределах: НВ 160—230; σв = 630 ÷ 820 Мн/м2 (63—82 кГ/мм2); δ = 15 ÷ 20%.

Ледебурит– эвтектическая смесь аустенита и первичного цементита образуется при температуре 1130° С (точка С на диаграмме) и содержит 4,3% С; он твердый (НВ 700) и хрупкий. Ледебурит является структурной составляющей белых чугунов.

Таким образом согласно рис. 1 сплав с содержанием С = 3,1% при температуре 920° С будет состоять из аустенита, цементита и ледебурита( аустенит + цементит). содержание цементита в сплаве с содержанием С = 3,1% при температуре 900° С около 49%, следовательно содержание аустенита = 100%-49% = 51%. На рис. 2б изображена кривая охлаждения и структура белого доэвтектического чугуна при нормальной температуре (20° С).

 

 

 

 

 

Задание 2. Расшифруйте заданную марку сплава. Объясните влияние элементов, входящих в сплав. Постройте график термической обработки детали для получения заданных механических свойств. Деталь – прокладки 20ЮЧ, =780 МПа.

Решение 2. Сплав 20ЮЧ означает следующее:

20 содержание углерода 0,17-0,24%;

Ю- буква «Ю» указывает на легирование алюминием , отсутствие цифры после буквы указывает на содержание легирующего элемента 1%

Ю- буква «Ю» указывает на легирование редкоземельными металлами, отсутствие цифры после буквы указывает на содержание легирующего элемента 1%

Сплав 20ЮЧ применяется для изготовления труб, корпусов, днищ, плоских фланцев и других деталей, эксплуатируемых в средах содержащих сероводород и углекислый газ при температурах от -40 °С до +475 °С;

для производства деталей трубопроводной арматуры с проведением термообработки; сварных сосудов газовой и нефтехимической промышленности; бесшовных горячедеформированных нефтегазопроводных труб повышенной коррозионной стойкости и хладостойкости, предназначенных для использования в системах нефтегазопроводов, технологических промысловых трубопроводов, транспортирующих нефть и нефтепродукты, а также в системах поддержания пластового давления в условиях нефтедобывающих предприятий эксплуатируемых в средах, содержащих сероводород и углекислый газ.

Другие примеси в сплаве 20ЮЧ, согласно ГОСТ 1050-88

 

Химический элемент	%
Углерод (С)	0,17-0,24
Кремний (Si)	0,17-0,37
Сера (S)	до 0,04
Марганец (Mn)	0,35-0,65
Фосфор (P)	до 0,035
Хром (Cr)	до 0,25
Никель (Ni)	до 0,3
Медь (Cu)	До 0,3

 

Рассмотрим влияние примесей:

Марганец. Его вводят в любую сталь для раскисления FeO + Mn → MnO + Fe, т. е. для устранения вредных примесей закиси железа. Марганец устраняет также вредные сернистые соединения железа, растворяет в феррите и цементите. Повышает прочность стали в горячекатаных изделиях. Введение марганца в сталь уменьшает вредной влияние серы, т. к. при введении его в жидкую сталь протекает реакция образования сульфида марганца: FeS + Mn →MnS + Fe.

Кремний. Влияние начальных присадок кремния аналогично влиянию марганца. Кремний раскисляет сталь по реакции: 2FeO + Si → 2Fe + SiO2. Структурно не обнаруживается, т. к. полностью растворим в феррите, кроме той части кремния, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений. Легирование кремнием хромистых сталей увеличивает их жаростойкость. Уменьшая подвижность углерода в феррите, кремний затрудняет формирование и рост цементитных частиц, что проявляется в повышении устойчивости структуры стали при отпуске. Содержание кремния в стали ограничивают, поскольку он повышает склонность стали к тепловой хрупкости.

Фосфор. Руды железа, а также топливо и флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь. Растворяясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. вызывает хладноломкость стали. В отдельных случаях фосфор желателен, т. к. он облегчает обрабатываемость стали режущим инструментом, а в присутствии меди повышает сопротивление коррозии.

Сера. Как и фосфор, сера попадает в металл из руд, а также из печных газов – продукт горения топлива (SO2). Содержание серы для высококачественной стали не должно превышать 0,02 – 0,03%. Сера нерастворима в железе и любое ее количество образует с железом сернистое соединение – сульфид железа FeS, который входит в состав эвтектики, образующийся при 988° С. Наличие легкоплавкой и хрупкой эвтектики, расположенной, как правило, по границам зерен, делает сталь хрупкой при 800° С и выше, т. е. в районе температур красного каления. Явление это носит название красноломкости. Вследствие красноломкости сталь с повышенным содержанием серы не поддается горячей обработке давлением. С этой точки зрения сера является вредной примесью в стали. Как и фосфор, сера облегчает обрабатываемость резанием.

Хром слабо упрочняет феррит, способствует некоторому повышению порога хладноломкости. Повышает жаростойкость и коррозионную стойкость стали, увеличивает ее электрическое сопротивление и уменьшает коэффициент линейного расширения. Легирование стали хромом приводит к уменьшению склонности аустенитного зерна к росту при нагреве, существенному увеличению ее прокаливаемости, а также замедлению процесса распада мартенсита.

Алюминий повышает окалиностойкость металла.

Добавки РЗМ повышают качество металлургической продукции, улучшают их свойства, в частности ударопрочность, вязкость и коррозионную стойкость). Такие материалы находят применение в первую очередь в ВПК и авиационно-космической отрасли.

Лигатуры с РЗМ применяются при производстве стали для изготовления магистральных нефтегазопроводов, работающих в условиях севера. В стали образуются недеформируемые включения сульфидов и оксисульфидов РЗМ, что предопределяет постоянство свойств в продольном и поперечном направлениях и повышает надежность металлоизделий. При обработке литой стали комплексными сплавами с РЗМ отмечается повышение пластичности, ударной вязкости, снижение порога хладноломкости до минус 60-70 градусов Цельсия.

Сталь 20ЮЧ, согласно ГОСТ, в состоянии поставки имеет твердость не более НВ 250. Предел прочности при   твердости НВ 230-250 не превышает 670-750 МПа. Предел текучести составляет 350-400 МПа. Таким образом, для получения заданной величины предела текучести прокладку необходимо подвергнуть термической обработке.

Для стали 20ЮЧ рекомендуется термическая обработка:

1. Закалка с 820—835° С.

При закалке с охлаждением в масле возникают меньшие напряжения, а следовательно, и меньшая деформация.

2. Отпуск 520—530° С. Для  предупреждения отпускной хрупкости, к которой чувствительны стали  с хромом, вал после нагрева  следует охлаждать в масле.

Механические свойства стали 20ХНЗА после термической обработки

Предел прочности                   σв = 900-1000 МПа

Предел текучести                   σТ = 750-800 Мпа

 

 

 

Рис. 3. График термической обработки стали 20ЮЧ

Задание 3: Как разделяют полимеры по форме макромолекул и химическому составу? Приведите примеры.

Решение 3: По составу все полимеры подразделяют на органические, элементоорганические, неорганические. Органические полимеры составляют наиболее обширную группу соединений. Если основная молекулярная цепь таких соединений образована только углеродными атомами, то они называются карбоцепными полимерами. В гетероцепных полимерах атомы других элементов, присутствующие в основной цепи, кроме углерода, существенно изменяют свойства полимера. Так, в макромолекулах атомы кислорода способствуют повышению гибкости цепи, атомы фосфора и хлора повышают огнестойкость, атомы серы придают газонепроницаемость, атомы фтора, сообщают полимеру высокую химическую стойкость и т. д. Органическими полимерами являются смолы и каучуки.

Элементоорганические соединения в природе не встречаются. Этот класс материалов полностью создан искусственно. Они содержат в составе основной цепи неорганические атомы (Si, Тi, А1), сочетающиеся с органическими радикалами (СН3, С6Н5, СН2). Эти радикалы придают материалу, прочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают повышенную теплостойкость. Представителями их являются кремнийорганические соединения.

К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, керамика, слюда, асбест. В составе этих соединений углеродного скелета нет. Основу неорганических материалов составляют оксиды кремния, алюминия, магния, бора, фосфора, кальция и др. Органические радикалы в составе неорганических полимеров отсутствуют. К неорганическим относятся и полимеры, основное молекулярное звено которых, как и в случае органических полимеров, состоит из атомов углерода, как, например, графит и алмаз, причем графит содержит и незначительное количество атомов водорода. Однако в отличие от органических полимеров, образующих основное молекулярное звено преимущественно в виде линейных цепей, графит и алмаз образуют пространственные структуры. Это придает им свойства, резко отличающиеся от свойств органических полимеров. Графит является единственным веществом, остающимся в твердом состоянии при температуре свыше 4000 °С, а алмаз является самым твердым веществом.