Контрольная работа №2 «Технология конструкционных материалов»

Первые четыре задания выполняются в порядке ответов на поставленные вопросы. Ответы должны быть краткими, точными и не повторять текст учебника.

Методические указания для изучения материала

Материаловедение

Строение и свойства металлов

Материалы, используемые в народном хозяйстве можно условно разделить на две группы: металлы и металлические сплавы и неметаллы. Первую группу составляют чёрные и цветные металлы и сплавы. Железо и сплавы на его основе (чугун, сталь, ферросплавы) называют чёрными. На основе железа изготавливают около 95% всех конструкционных и инструментальных материалов. Это связано с большим содержанием его в земной коре, низкой стоимостью и высокими технологическими и механическими свойствами. Остальные металлы (медь, никель, алюминий, золото, серебро и т.д.) и сплавы на их основе относят к цветным. Это металлы со специальными свойствами: малая плотность, химическая инертность, низкая или высокая температура плавления и т.д.

Металлы являются кристаллическими телами, поэтому сначала необходимо изучить строение и свойства кристаллических тел, типы кристаллических решеток и расположение атомов в них. Однако свойства реальных кристаллов определяются известными несовершенствами кристаллического строения. Необходимо усвоить, какие бывают дефекты строения реальных кристаллов, и особенно разобраться в строении дислокаций (линейных несовершенств), причину их легкого перемещения в кристаллической решетке и влияния на механические свойства.

Термодинамические причины фазовых превращений являются одним из частных случаев общего закона природы: стремление любой системы к состоянию с наименьшим запасом энергии (в данном случае свободной энергии).

Уясните теоретические основы процесса кристаллизации, состоящего из двух элементарных процессов: зарождения и роста кристаллов, и влияния на эти параметры степени переохлаждения.

В процессе кристаллизации при формировании структуры литого металла решающее значение имеет реальная среда, а также возможность искусственного воздействия на строение путем модифицирования.

Нужно усвоить методику построения диаграмм состояния для различных случаев взаимодействия компонентов в твердом состоянии.

Пластическая деформация. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

Рассмотрите физическую природу деформации и разрушения. Уделите внимание механизму пластической деформации, ее влиянию на микро- и субмикроструктуру, а также на плотность дислокации. Уясните связь между основными характеристиками, строением и механическими свойствами.

Разберитесь в сущности явления наклепа и его практического использования. Необходимо знать сущность рекристаллизационных процессов: возврата, первичной рекристаллизации, собирательной (вторичной) рекристаллизации, протекающих при нагреве деформированного металла. Уясните как при этом изменяются механические, физико-химические свойства, размер зерна. Разберитесь, в чем различие между холодной и горячей пластическими деформациями.

Железо и его сплавы

Наибольшее применение в промышленности имеют сплавы железа с углеродом – стали и чугуны. Углерод оказывает решающее влияние на формирование структуры сплава.

Диаграмма состояния «Железо-цементит». На диаграмме Fe – Fe₃C (см. приложение рис. 1) показаны характерные точки и линии. Линия АВСД (линия ликвидус) показывает температуру начала кристаллизации из жидкого сплава кристаллов твердой фазы. Линия АНJЕF (линия солидус) является температурной границей, ниже которой сплавы находятся только в твёрдом состоянии.

Выше линииАВСД все сплавы находятся в жидком состоянии и число степеней свободы С=К–Ф+1=2–1+1=2. Это значит, что сплавы можно нагревать и охлаждать, менять их концентрацию и они остаются жидкими в состоянии равновесия. Между линиями АВС и АНJЕС и линиями С D и CF сплавы двухфазны, состоят из твердой фазы и жидкости, и при этом число степеней свободы равно С = 2 - 2 + 1 = 1. Из вышеуказанного следует, что система в данных областях располагает одной степенью свободы и для сохранения ее равновесия можно менять лишь один фактор равновесия - либо температуру, либо концентрацию. Две фазы и одна степень свободы имеются также во всех других областях диаграммы, кроме аустенитной, где между линиями NJЕ и GSE система однофазна и располагает двумя степенями свободы С = 2 - 1 + 1 = 2. На горизонтальных линиях ECF и PSK система трехфазна и число степеней свободы С=2-3+1=0. На линии ECF при охлаждении образуется ледебурит, на линии PSK - перлит. Нулевая степень свободы на этих линиях обуславливает строго постоянные температуры при образовании ледебурита (1147 °С) и перлита (727 °С). Из таблицы 3 видно, что две фазы и одну степень свободы имеют все кривые линии и точки A, D, G, Q; три фазы и нулевую степень свободы - точки P, S, E, C; в точках К и F фазовых превращений нет.

Построения кривых охлаждения (нагрева) для железоуглеродистых сплавов с применением правила фаз. Научитесь пользоваться правилом фаз и отрезков и устанавливать фазовый состав сплава.

По диаграмме железо-цементит можно построить кривые охлаждения (нагревания). Для этого точки пересечения вертикали с линиями диаграммы, обозначающий сплав определенной концентрации, переносят на систему координат температура-время и строят кривую нагревания или охлаждения этого сплава. При построении кривой кристаллизации сплава руководствуются значениями вариантности системы в каждом из температурных интервалов. При этом интервалы с нулем степеней свободы изображаются в виде горизонтального отрезка, интервалы с одной или двумя степенями свободы – в виде наклонной линии. Причем линия, соответствующая интервалу с двумя степенями свободы, вычерчивается круче, чем с одной степенью свободы. Масштаб по горизонтали произвольный. Точки пересечения с кривыми линиями диаграммы соответствуют перегибам на кривых охлаждения и нагревания, а точки пересечения с горизонтальными линиями соответствуют площадкам на тех же кривых.

Химический состав фаз любого сплава системы можно определить с помощью каноды, а их количество - по правилу рычага.

При отыскании концентрации углерода в фазах в температурных интервалах, соответствующих двухфазным областям, следует применить правило отрезков: «Чтобы определить концентрацию компонентов в фазовых составляющих сплава, нужно через заданную точку двухфазной области провести коноду. Конодой называется горизонтальный отрезок, проведенный в двухфазной области диаграммы состояния и опирающийся своими концами на фазовые границы).

В настоящее время в промышленности используется более 1500 марок сталей. Необходимо изучить классификацию углеродистых сталей по структуре, качеству и степени раскисления. По химическому составу стали, подразделяются на углеродистые и легированные. А любой стали, присутствуют постоянные (Si, Mn, S, P) и скрытые (О₂, N₂, Н₂) примеси. По содержанию углерода стали, бывают доэвтектоидные (С<0,8%) структура «перлит + феррит», эвтектоидные (С~0,8%) структура «перлит», и заэвтектоидные (0,8< С £2,14%) структура «перлит + цемент». В зависимости от степени раскисления расплава Si, Mn и Аl стали, имеют различную степень загрязнения и называются спокойными (С.П.), полуспокойными (П.С.) и кипящими (К.П.). Наличие в стали серы и фосфора является основным критерием оценки её качества.

В соответствии с ГОСТ 380 – 88 сталь углеродистую обыкновенного качества выпускают в виде проката (листов, прутков, и т.п.) в нормализованном состоянии и в зависимости от состава и свойств поставляют по группам А, Б, В. Стали маркируют сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б или В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначают добавлением индексов: в спокойных сталях – «сп», полуспокойных – «пс», кипящих – «кп».

Стали группы А поставляют с гарантированными механическими свойствами. Химический состав не гарантируется. Стали группы А используются в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства, гарантируемые стандартом.

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом. Механические свойства не гарантируются. Стали этой группы предназначены для изделий, изготовляемых с применением горячей обработки (ковки, сварки и в некоторых случаях термической обработки), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких сталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режимов горячей обработки.

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Их широко применяют для изготовления сварных конструкций. Механические свойства каждой марки стали группы В соответствуют нормам для аналогичных марок стали группы А, а химический состав – нормам для тех же номеров марок группы Б. Например, сталь ВСт4сп имеет механические свойства, аналогичные стали Ст4сп, а химический состав – одинаковый со сталью БСт4сп.

Низкоуглеродистые стали номеров 1 – 4 применяют для строительных конструкций, изготавливаемых сваркой и холодной деформацией. Среднеуглеродистые стали номеров 5 и 6, обладающие большей прочностью, предназначаются для изготовления валов, шкивов, шестерен и других деталей машин.

Углеродистые качественные стали поставляются в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Маркируются двузначными цифрами 05, 10, 15, 20, …, 60, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050 – 88). Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10 % С, сталь 45 – 0,45 % С и т.п. Качественные стали находят многостороннее применение в машиностроении и приборостроении, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки они обладают широким диапазоном механических и технологических свойств.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435 – 86) поставляют после отжига на зернистый перлит с гарантией на химический состав и твердость. Их производят качественными У7, У8, У9, …, У13 и высококачественными У7А, У8А, У9А, …, У13А. Буква «У» в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Инструмент из углеродистых сталей теряет твердость при нагреве свыше 250 ⁰С. В связи с этим он пригоден для обработки сравнительно мягких материалов и при небольших скоростях резания или деформирования

Классификация и маркировка чугунов. Свойства, назначение и способы получения белых, серых ковких и высокопрочных чугунов. Серые чугуны по ГОСТ 1412 – 85 маркируются так: СЧ25, где СЧ – серый чугун, 25 – предел прочности при растяжении σ_в (250 МПа). Ковкие (ГОСТ 1215 – 86) и высокопрочные чугуны ГОСТ (7293 – 85) маркируются иначе: КЧ45 – 7 или ВЧ60, где КЧ – ковкий, а ВЧ – высокопрочный чугун, 45 или 60 – предел прочности при растяжении σ_в (450 или 600 МПа), 7 – относительное удлинение δ, %.