Контрольная работа «материаловедение»

    Превращения в  закалённой стали при высоком  отпуске (600°С). Отпуск должен обеспечить получение необходимых эксплуатационных свойств стали. Структура стали после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

Рассмотрим последовательность процессов при отпуске с повышением температуры. До 80°С диффузионная подвижность мала и распад мартенсита идёт медленно. Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80…200°С и приводит к формированию структуры отпущенного мартенсита - смеси пересыщенного углеродом a-раствора и когерентных с ним частиц e-карбида. В результате этого снижается степень тетрагональности мартенсита, уменьшается его удельный объём, снижаются остаточные напряжения.

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200…260°С (300°С) и состоит из следующих этапов:

1. Превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;
2. Распад отпущенного мартенсита;
3. Снижение остаточных напряжений;
4. Некоторое увеличение объёма, связанное с переходом Аост в     Мотп.
5. Третье превращение при отпуске развивается в интервале 300…400°С. При этом заканчивается распад отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования. Формируется феррито-карбидная смесь, существенно снижающая остаточные напряжения; повышение температуры отпуска выше 400°С активизирует процесс коалесценций карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности феррито-цементитной смеси.

В стали 40ХНМА после полной закалки в масле и высокого отпуска образуется структура сорбит отпуска.

 

Сталь 40ХНМА. Основные данные.

Назначение: коленчатые валы, шатуны, крышки шатунов, ответственные болты, шестерни, кулачковые муфты, диски и др. детали. Химический состав:

Химический элемент	%
Кремний (Si)	0.17-0.37
Медь (Cu), не более	0.30
Молибден (Mo)	0.15-0.25
Марганец (Mn)	0.50-0.80
Никель (Ni)	1.25-1.65
Фосфор (P), не более	0.025
Хром (Cr)	0.60-0.90
Сера (S), не более	0.025

 

Механические свойства, в зависимости от температуры отпуска:

 

t отпуска, °С	σ0.2, МПа	σ B, МПа	δ, %	ψ, %	HB
400	1230	1400	12	49	430
500	1090	1200	16	60	350
600	850	950	20	62	280

 

Технологические свойства.

Температура начала ковки  1200, конца 800. Сечения до 100 мм охлаждаются на воздухе, 101-350 мм - в яме.

Трудносвариваемая. Способ сварки: РДС. Необходим подогрев и последующая термообработка.

Не склонна к отпускной способности.

 

Ударная вязкость, KCU, Дж/см2

Состояние поставки, термообработка	+20	-20	-40	-60
Закалка 880°С, масло. Отпуск 200°С, масло.	50	41	36	35
Закалка 820°С, масло. Отпуск 600°С, вода [108]	139	122	128	125
б0,2 = 780 МПа, бв = 970 МПа, δ5 = 20 %, ψ = 61 % [108]	120		105	85

 

Прокаливаемость. Закалка 845 С.

 

Расстояние от торца, мм / HRC э
1.5	3	5	9	13	20	25	30	40	50
51.5-59	51.5-59	50.5-59	49.5-58	49.5-58	47.5-57	46.5-57	45.5-56	44.5-56	42.5-56

 

Кол-во мартенсита, %	Крит.диам. в масле, мм
50	115
90	100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание №3

Условие:

Выбрать экономичный материал для литых деталей автомобилей (блоков цилиндров, картеров, тормозных барабанов) и подъемно-транспортных машин (корпусов редукторов, блоков, барабанов), не испытывающих при работе больших нагрузок (σв ≈  200...250 МПа). Привести марку сплава, описать его структуру и свойства. Указать пути повышения механических свойств сплавов этой группы.

 

Ответ:

Я выбрал СЧ20 - чугун серый, предел прочности при растяжении 200 МПа. Ферритно-перлитный чугун марки СЧ20 используют для изготовления отливок картеров, крышек, блоков цилиндров, тормозных барабанов, головок и гильз цилиндров и других деталей автомобиле- и тракторостроения; станин, станков, разметочных плит, гидроцилиндров, клапанов, оснований станков, салазок, столов в станкостроении; выхлопных труб, маховиков, фундаментальных рам картеров, крышек рабочих цилиндров, блоков и других ответственных деталей дизелестроения; зубчатых колес, шестерней, шкивов, рам редукторов, муфт сцепления, паровых цилиндров и других средненагруженных деталей химического машиностроения, и т.д.

Чугун СЧ 20.   ГОСТ 1412-85

 

Химический состав в % материала СЧ20

C	Si	Mn	S	P
3.3 - 3.5	1.4 - 2.4	0.7 - 1	до 0.15	до 0.2

 

 

 

Механические свойства чугуна СЧ20 при Т=20oС
Прокат	Размер	Напр.	sв (МПа)	sT (МПа)	d5 (%)	y(%)	KCU (кДж / м2)
			200

 

 

Физические свойства серого чугуна СЧ20
T (Град)	E 10- 5 (МПа)	a 10 6 (1/Град)	l (Вт/(м·град))	r (кг/м3)	C (Дж/(кг·град))	R 10 9 (Ом·м)
20	1		54	7100
100		9.5			480

 

 Твердость материала: HB 10 -1 = 143 - 255 МПа

 

Краткие обозначения:

Механические свойства:

Sв- Предел кратковременной прочности , [МПа]

sT- Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа]

d5 - Относительное удлинение при разрыве , [ % ]

y - 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]

A - Коэффициент температурного  расширения (диапазон 20o - T ) , [1/Град]

L - Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]

r- Плотность материала , [кг/м3]

C - Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o - T ), [Дж/(кг·град)]

R - Удельное электросопротивление, [Ом·м]

 

 

Структура СЧ20

Структурные составляющие:	Перлит , феррит , графит крабовидный
Субструктура:	Полосчатая (подобная перлиту)
Форма включений:	Зерна или глобули

 

 

      Механические свойства серого  чугуна зависят от свойств  металлической матрицы, формы и  размеров графитовых включений. Свойства металлической матрицы  чугунов близки к свойствам  стали. Графит, имеющий невысокую прочность, снижает прочность чугуна. Чем меньше графитовых включений и выше их дисперсность, тем больше прочность чугуна. Графитовые включения вызывают уменьшение предела прочности чугуна при растяжении. На прочность при сжатии и твердость чугуна частицы графита практически не оказывают влияния. Свойство графита образовывать смазочные пленки обусловливает снижение коэффициента трения и увеличение износостойкости изделий из серого чугуна. Графит улучшает обрабатываемость резанием.

 

 

 

 

 

 

 

Задание №4

Условие:

Выбрать сплав для деталей автомобильных радиаторов, изготавливаемых методами холодной пластической деформации. Обосновать выбор, учитывая технологические, механические и физические свойства. Отметить влияние технологии изготовления на механические свойства деталей.

 

Ответ:

После пластической деформации детали обрабатывают термически в соответствии с техническими условиями. При холодной обработке всегда в большей или меньшей степени возникает наклеп. Изменение механических свойств состоит в том, что при холодной пластической деформации по мере ее увеличения возрастают характеристики прочности, в то время как характеристики пластичности снижаются. Металл становится более твердым, но менее пластичным. Упрочнение возникает вследствие поворота плоскостей скольжения, увеличения искажений кристаллической решетки в процессе холодного деформирования (накопления дислокаций у границ зерен). Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла, не необратимы. Они могут быть устранены, например, с помощью термической обработки (отжигом). 

 

В результате холодного пластического деформирования металл упрочняется, изменяются его физические свойства. Наклепанный металл запасает 5 - 10 % энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки (плотность дислокаций возрастает до 109-1012 см-2) и на упругие искажения решетки. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации.

 

 

 

 

При деформировании увеличиваются прочностные характеристики (твердость, σв, σ0,2, σупр) и понижаются пластичность и ударная вязкость (δ,  KCU). Металлы интенсивно наклёпываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании деформации механические свойства изменяются незначительно. С увеличением степени деформаций предел текучести растет быстрее временного сопротивления. Обе характеристики у сильно наклепанных металлов сравниваются, а удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является предельным; при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопротивление удастся повысить в 1,5-3 раза, а предел текучести в 3 - 7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (например, интенсивно наклёпываются аустенитная сталь, никель, а алюминий упрочняется незначительно).

Из-за неоднородности деформации в объеме металла различны изменения плотности, что служит причиной появления остаточных напряжений как растягивающих, так и сжимающих. С увеличением деформации повышается удельное электросопротивление (максимально на 6 %), а у ферромагнетиков, к которым относится большинство сталей, понижаются магнитная проницаемость и остаточная индукция, возрастает коэрцитивная сила.

Наклеп понижает плотность металла из-за нарушения порядка в размещении атомов при увеличении плотности дефектов и образовании микропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечности деталей, которые при эксплуатации подвержены переменным нагрузкам. С этой целью применяют поверхностное пластическое деформирование детали с помощью обдувки дробью или обработки специальным инструментом. Наклепанный слой стремится расшириться, встречая сопротивление со стороны ненаклепанных участков детали. В результате в этом слое возникнут напряжения сжатия, а под ним, па большем расстоянии от поверхности, появятся напряжения растяжения. Сжимающие напряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной трещины и тем самым увеличивают долговечность деталей.