Контрольная работа по "Материаловедению"

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное

учреждение высшего  профессионального образования

«КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ имени  Т.Ф. ГОРБАЧЕВА »

 

Кафедра технологии материалов

 

 

Учебная дисциплина «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Вариант 5

 

 

Выполнил:

Студент гр. ГЭсз-11

Дивин В.Л.

Проверил:

Драчев В.В.

 

 

 

Кемерово 2014 

Вопрос 1.  Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы. Постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,3% С с указанием структурных превращений. Зарисуйте структуру этого сплава при комнатной температуре. Как такой сплав называется?

 

В зависимости от температуры и  содержания углерода железоуглеродистые сплавы образуют ряд структурных составляющих (фаз): Феррит (Ф), Аустенит (А), Цементит (Ц), Перлит (П), Ледебурит (Л)

Основой для определения структуры  и свойств железоуглеродистых сплавов является диаграмма состояния железо — углерод (цементит, карбид железа), представленная в упрощенном варианте. Ось концентраций (абсцисс) двойная, она отражает содержание углерода и цементита.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок    - диаграмма «железо-цементит»

 

 

                                         

Превращения для сплава, содержащего 0,3% С:

1. Fe-α - от низких температур до 768°C. Эта фаза имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК), низкую прочность и твёрдость 80 HB, низкий предел текучести, удельный вес 7,8 г/см³, имеет магнитные свойства (ферромагнетик), растворяет углерод 0,006% при 20°C и 0,02% при 727°C. Твёрдый раствор углерода в Fe-α называется феррит. Свойства феррита близки к свойствам чистого Fe.
2. Fe-β – фаза имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК). Существует от 768°C до 910°C, растворяет углерод в небольших количествах, немагнитен, при 768°C теряет магнетизм, 768°C – точка Кюри, парамагнетик.
3. В 910-1400°C существует Fe-γ, с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК), это железо немагнитно, растворяет 2,14% C при 1147°C. Раствор углерода в Fe-γ называется аустенит, немагнитен, твёрже феррита, достаточно пластичен.
4. Fe-δ существует в пределах температур 1400-1539°C. При температуре 1539°C происходит плавление железа. Переход Fe-α→Fe-γ происходит с изменением объёма (1%). 
5. Fe₃C - 6,7% C, твёрдость 800 HB, Fe₃C – цементит, при низких температурах магнитен. Fe₃C→Fe + Графит. При 1147°C идёт реакция, в результате которой образуется эвтектика: смесь аустенита и цементита – ледебурит. [А+Ц] - 4,3% углерода.
6. Феррит + цементит - Перлит, составляет 0,8% C, твёрдость HB 800. Л_а – [А+Ц], Л_п – [П+Ц], А→П. Из жидкости выделяется Ц_I, из А - Ц_II, из Ф - Ц_III. До 2,14% C – стали, после – чугуны. Сначала жидкость переходит в аустенит, потом происходит переход жидкости в ледебурит аустенитовый (эвтектическая реакция), аустенит переходит в перлит (эвтектоидная реакция), аустенит переходит в феррит.

 

 

 

 

 

 

 

 

7.                                                        
8. а)                                                                                        б)
9. Рисунок 1: а-диаграмма железо-цементит, б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,3% углерода

 

а)                                                                       б)

Рисунок  

а - диаграмма состояния железо – карбид железа

б – кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,3% углерода

перрит-феррит 

Вопрос 2. Вычертите  диаграмму изотермического превращения  аустенита для стали У8, нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение  твердости НВ550. Укажите, как этот режим называется, опишите сущность превращений и структуру.

 

 

 

 

Рисунок   - диаграмма  изотермического превращения аустенита              эвтектоидной стали У8, схема структур и примерная твердость

 

При изотермической закалке  стали У8 на бейнит сталь нагревают до температуры на 30-50⁰С выше точки AС₁ (AС₁=730⁰С), то есть до 760-780⁰С и после выдержки охлаждают деталь в соляных (расплавленные соли)или щелочных ( расплавленные щелочи) ваннах с температурой на 20-30⁰С выше точки мартенситного превращения Mп. Детали выдерживают в течении времени, необходимого для полного распада аустенита и превращения при температуре 250-300⁰С в бейнит, который представляет собой α-твердый раствор, пресыщенный углеродом частиц карбида (цементита). Бейнит называют угольчатым трооститом. После превращения детали охлаждают на воздухе. Твердость бейнита 45-55 HRC. Нагрев стали в жидких средах позволяет получить без травления чистую поверхность изделий. При таком виде закалки повышается конструктивная прочность и ударная вязкость.

Ответ: Изотермическая закалка. Структура-бейнит.

 

 

Вопрос 3. Назначьте  режим термической и химико-термической  обработки шестерни из стали 20Х, обеспечивающий твердость зуба HRC 58-62. Опишите микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины зуба после окончательной обработки.

 

Цементации обычно подвергают такое детали машины, которые должны иметь износостойкую рабочую  поверхность и вязкую сердцевину: зубчатые колеса, валы и пальцы, распределительные валики, кулачки и т.д.

Обычно после цементации сталь подвергают закалке и низкому  отпуску. Концентрация углерода на поверхности стальной детали доводится до 0,8-1 %. Сердцевина детали содержит 0,25 % углерода. Шестерни из стали 20Х подвергаются цементации в твердой среде  (карбюризаторе). Наиболее распространенный твердый карбюризатор состоит в основном из древесного угля с добавкой 20-25 % углекислого бария для интенсификации процесса и 3-5 % CaCO₃ для предотвращения спекания частиц карбюризатора.

Детали, подлежащие цементации, и карбюризатор упаковываются в  контейнер (стальной ящик) и нагреваются в печи до 930-980⁰С. При нагреве уголь, взаимодействует с кислородом остаточного воздуха по реакции:

 

 

 

Активный углерод адсорбируется  насыщаемой поверхностью в аустенитном состоянии, CO₂ взаимодействует с углем, образуя новые порции СО.

Ящик после цементации охлаждают на воздухе до температуры 300-400⁰С. извлекают из него детали и подвергают закалке и отпуску.

Наружный слой имеет структуру  перлит и вторичный цементит. Глубже слой с феррито-перлитной структурой (в сердцевине). Структура после цементации получается крупнозернистой в связи с длительной выдержкой при температуре науглероживания (7-10 часов).

Термическая обработка после  цементации.

После цементации детали подвергают первой закалке. Нагревают на 30-50⁰С выше температуры АС₃ (АС₃= 825⁰С, АС₁=750⁰С), то есть 880-900⁰С. Во всем объеме детали устанавливается аустенитное состояние.

При второй закалке деталь нагревают до температуры  на 30-50⁰С выше АС₁, то есть ≈ 800⁰С.

Мартенсит, полученный в  результате первой закалки, отпускается, что сопровождается образованием глобулярных  карбидов, которые сохраняются в  поверхностном слое, увеличивая его  твердость. Структура поверхностного слоя мартенсит + карбиды.

Окончательная операция термической  обработки – низкий отпуск при  160-200⁰С .

После отпуска структура  поверхностного слоя мартенсит отпуска + карбиды.

Структура сердцевины –  малоуглеродистый бейнит.

 

Механические свойства:

МПа	МПа	%	ѱ     %	КСU	HRC	HRC
650	800	11	40-45	49	58-60 на    поверхности	25-30 в сердцевине

 

Из-за низкого содержания углерода высокая вязкость в сердцевине.Вопрос 4. Для изготовления пресс-форм выбрана сталь 3Х2В8Ф: а) расшифруйте состав и определите группу стали по назначению и теплостойкости; б) назначьте и обоснуйте режим упрочняющей термической обработки; в) объясните цель легирования данной стали; г) укажите структуру и свойства стали после упрочняющей обработки.

 

Сталь марки: 3Х2В8Ф

Расшифровка: ω (х), %

Углерода ≈ 0,3; хрома (Х) ≈ 2; вольфрама (В) ≈ 8; Ванадия ≈ 0,5

Классификация: сталь инструментальная штамповая

Назначение (применение): для  изготовления тяжелонагруженного прессового инструмента (мелких вставок окончательного штамповочного ручья, 
матриц и пуансонов для выдавливания) при горячем деформировании легированных конструкционных сталей и жаропрочных сплавов: пресс-форм литья под давлением медных сплавов.

Сталь 3Х2В8Ф относится к штамповым теплостойким сталям высокой вязкости.

Режим упрочняющей термической  обработки: подогрев 840-860⁰С, закалка в масло м 1070-1100⁰С + отпуск при 620-650⁰С, охлаждение на воздухе.

Закаливая сталь, в масле  растворяют в аустените около 7% карбидов, обогащая его углеродом, вольфрамом и хромом. После закалки структура состоит из легированного мартенсита, 5% избыточных карбидов и небольшого количества остаточного аустенита, HRС =48-50.

После отпуска при 620-650⁰С структура состоит из троостита и 5% избыточных карбидов, HRС =38-44. Карбид М₆С коагулирует при температуре больше 600⁰С, что обеспечивает высокую красностойкость и жаропрочность.

Цель легирования:

Хром положительно влияет на прокаливаемость, склонность к вторичному твердению, теплостойкость, хром повышает устойчивость против окисления и в агрессивных средах (кислотах).

Вольфрам повышает теплостойкость стали. Вольфрам задерживает коагуляцию карбидов, выделяющихся по границам зерен и усиливает дисперсионное твердение при отпуске, но ухудшает вязкость. Вольфрам измельчает зерно, усиливает карбидную неоднородность. Вольфрам усиливает жаропрочность. 

Ванадий оказывает неоднозначное  влияние на механические свойства. Ванадий улучшает теплостойкость, повышает прочность, пластичность и твердость, но снижает вязкость.

Механические свойства:

МПа	МПа	%	ѱ      %	КСU	HRC
1460	1640	7	28	25	50

 

Вопрос 5. Для изготовления некоторых деталий двигателя внутреннего сгорания выбран сплав АМ5 (АЛ19): а) расшифруйте состав и укажите способ изготовления деталей из этого сплава; б) назначьте упрочняющую термическую обработку с указанием структур; в) охарактеризуйте механические свойства данного сплава.

 

Химический состав сплава АМ5 (АЛ19):

Fe до 0,2 %

Si до 0,3 %

Mn 0,6-1 %

Ni до 0,1 %

Ti 0,15-0,35 %

Al 92,45-94,75 %

Cu 4,5-5,3 %

Zn до 0,2 %

Mg до 0,05 %

Сплав высокопрочный, жаропрочный, для изготовления фасонных отливок. Сплав АМ5 (АЛ19) относится к системе Al – Cu – Mn с добавкой титана до 0,35 %. Сплав обладает высокими механическими свойствами при t⁰=20⁰С, хорошей жаропрочностью, хорошей обрабатываемостью, резанием и свариваемостью.

Отливка из сплава АМ5 (АЛ19) применяют в термически обработанном состоянии: после закалки Т4;  после закалки и искусственного старения (обработка на максимальную прочность) Т5, Т7.

Режим Т4 – двухступенчатый  нагрев под закалку (чтобы исключить  возможность пережога отливок):

I ступень: 530 ± 5⁰С (5-9 ч);

II ступень: 545 ± 3⁰С (5-9 ч) ;

Охлаждение в воде при  t⁰=20-100⁰С.

Режим Т5 – закалка по режиму Т4, старение 175 ± 5⁰С (3-6 ч).

Режим Т7 – закалка по режиму Т4, старение 250 ± 10⁰С (3-10 ч).

Коррозийная стойкость понижена. Сплав предназначен для отливок, полученных литьем в песчаные формы.

Механические свойства:

МПа	МПа	%	НВ
300-320	200-220	3-12	80	1000

 

Структура сплава: частицы  метастабильной ϴ`- фазы большой плотности.