Контрольная работа по дисциплине "Материаловедение"

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 ИНДИВИДУАЛЬНОЕ   ЗАДАНИЕ № 1

 

16.Перечислите  основные способы получения меди из руды. Кратко опишите пирометаллургический способ.

43. Начертите диаграммы, показывающие  зависимость механических, физических и технологических свойств  сплавов от их структуры и укажите, какое они имеют практическое значение.

51. Начертите диаграмму железо-цементит, укажите структуры во всех  областях.

Объясните, почему в железоуглеродистых сплавах происходят превращения в

твердом состоянии.

86. Опишите  влияние легирующих элементов  на критическую скорость закалки. Укажите, какое это имеет практическое  значение.

118. Опишите бронзы, обладающие антифрикционными свойствами. Укажите      их состав, марки, достоинства и недостатки по сравнению с баббитами.

129. Выберите и обоснуйте выбор марок сплавов для следующих деталей:

а) зубчатого колеса редуктора;

б) подшипника качения, работающего в агрессивной среде;

в) штамповки из алюминиевого сплава.

 

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ   ЗАДАНИЕ № 2

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

 

 

 ИНДИВИДУАЛЬНОЕ   ЗАДАНИЕ № 1

 

Вопрос 16.Перечислите основные способы получения меди из руды. Кратко опишите пирометаллургический способ.

 

Медь — элемент одиннадцатой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 29. Медь — один из первых металлов, широко освоенных человеком из-за сравнительной доступности для получения из руды и малой температуры плавления. Медь получают из медных руд и минералов. Основные методы получения меди — пирометаллургия, гидрометаллургия и электролиз.

Гидрометаллургический метод заключается в растворении минералов меди в разбавленной серной кислоте или в растворе аммиака; из полученных растворов медь вытесняют металлическим железом.

Электролитическое рафинирование обеспечивает получение наиболее чистой, высококачественной меди. Электролиз проводят в ваннах из железобетона и дерева, внутри футерованных листовым свинцом или винипластом. Электролитом служит раствор сернокислой меди (CuSO4) и серной кислоты, нагретый до 60…65 °С, Анодами являются пластины размером 1х1 м толщиной 40…50 мм, отлитые из рафинируемой меди. В качестве катодов используют тонкие листы (0,5…0,7 мм), изготовленные из электролитической меди.

Наиболее распространенный  современный пирометаллургический способ предусматривает (см. рис. 1) обязательное использование следующих металлургических процессов: плавка на штейн, конвертирование медного штейна, огневое и электролитическое рафинирование меди. В ряде случаев перед плавкой на штейн проводят предварительный окислительный обжиг сульфидного сырья. Современная пирометаллургии меди, предусматривает на промежуточной стадии технологии плавку на "Штейн" с последующей его переработкой на черновую медь. Пустая порода при этом переходит в шлак. Плавку на штейн можно вести в окислительной, нейтральной или восстановительной атмосфере. В условиях окислительной плавки можно получать штейны любого заданного состава. В этом случае преимущественно будут окисляться сульфиды железа с последующим ошлакованием его оксида кремнеземом по реакции

2FeS + ЗО2 + SiO2 = 2FeO • SiO2 + 2SO2. (1)

При плавке на штейн в нейтральной или восстановительной атмосфере регулировать степень десульфуризации невозможно и содержание меди в штейнах будет значительно отличатся от ее содержаниям в исходной шихте. По этой причине для получения более богатых по содержанию меди штейнов при переработке бедных концентратов иногда целесообразно предварительно удалить часть серы путем окислительного обжига, осуществляемого без расплавления материала при 800—900 °С.

Дальнейшую переработку штейнов с целью, получения из них металлургической меди осуществляют путем их окисления в жидком состоянии. При этом вследствие большего сродства железа к кислороду сначала окисляется сульфид железа по реакции (1). После окисления всего железа и удаления получившегося шлака окисляют сульфид меди по суммарной реакции:

Cu2S + О2 = 2Cu + SO2. (2)

Технология, включающая плавку на штейн, позволяет получать более чистый металл, содержащий 97,5—99,5% Си. Такую медь называют черновой. Рафинирование черновой меди по сравнению с черной значительно упрощается и удешевляется.

В последние годы в металлургии сульфидного сырья все большее развитие получают автогенные процессы, осуществляемые за счет тепла от окисления сульфидов при использовании подогретого дутья и дутья, обогащенного кислородом. В этих процессах, являющихся окислительными плавками, в одной операции совмещаются процессы обжига и плавки на штейн.

Как следует из рис. 1, технология получения черновой меди характеризуется многостадийностью (за исключением варианта IV, предусматривающего непосредственную плавку концентратов на черновую медь). В каждой из последовательно проводимых технологических операций постепенно повышают концентрацию меди в основном металлсодержащем продукте за счет отделения пустой породы и сопутствующих элементов, главным образом железа и серы. На практике удаление железа и серы осуществляют за счет их окисления в три (обжиг, плавка, конвертирование), в две (плавка, конвертирование) или в одну стадию.

 

 

Рис. 1 Принципиальная технологическая схема пирометаллургии меди

 

Вопрос 43. Начертите диаграммы, показывающие зависимость механических, физических и технологических свойств  сплавов от их структуры и укажите, какое они имеют практическое значение.

 

Свойства сплавов зависят от вида взаимодействия компонентов, т. е. от того, какая структура в них получается. Ясно, что должна быть связь между свойствами сплава и его диаграммой состояния. Основоположником учения о связи диаграмм состояния со свойствами сплавов является акад. Н. С. Курнаков.

На рис. 2 схематически показана зависимость твердости сплава и удельного электрического сопротивления р от типа диаграммы состояния. Отсюда можно вывести следующее:

1)  при  образовании механической смеси  свойства изменяются прямолинейно (рис. 2, а);

2)  при  образовании твердых растворов  свойства изменяются по плавным кривым (рис. 2, б);

3) при образовании  химического соединения свойства изменяются скачком (рис.  2, в).

По диаграммам состояния можно также определить технологические свойства сплавов. Чем больше температурный интервал между линиями ликвидуса и солидуса, тем больше склонность сплава к ликвации, больше рассеянная пористость и склонность к образованию трещин в отливках. Лучшими литейными свойствами обладают эвтектические сплавы. Эти же сплавы имеют лучшую обрабатываемость резанием. Однофазные сплавы — твердые растворы — лучше деформируются в холодном и горячем состоянии.

Из изложенного видно, что диаграммы состояния позволяют на научной основе предвидеть свойства сплавов, выбирать сплавы в Зависимости от назначения, применять рациональные виды обработки.

 

Рис. 2

 

 

Вопрос 51. Начертите диаграмму железо-цементит, укажите структуры во всех областях. Объясните, почему в железоуглеродистых сплавах происходят превращения в твердом состоянии.

 

Ответ

Рис. 3

 

Превращения в твердом состоянии  в железоуглеродистых сплавах объясняется полиморфизмом. Способность одного и того же металла образовывать несколько разных кристаллических структур называется полиморфизмом. Различные структурные модификации одного и того же металла называют еще аллотропическими модификациями, а такие превращения под воздействиями температуры или давления называют аллотропическими   превращениями.  Полиморфизм распространен среди многих металлов и имеет важное значение для техники, так как оказывает влияние на поведение металлов и сплавов при их нагреве и охлаждении во время термической обработки и при эксплуатации   деталей   в   машинах.

Переход металла из одной аллотропической модификации в другую сопровождается выделением теплоты при охлаждении металла и поглощением теплоты при его нагреве, а внешняя температура остается постоянной. Полиморфные превращения сопряжены с изменением компактности кристаллической решетки и изменением объема вещества.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении у железа в ᾳ-железо и распадом аустенита ( см. рис. 3). Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита. Линия ES показывает температуру начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аус-тените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом. В точке S при температуре 727 "С и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь, состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Точка Р соответствует максимальной растворимости углерода в ᾳ-железе при температуре 727 °С; она составляет 0,02%С. Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

 

 

 

 

86. Опишите  влияние легирующих элементов  на критическую скорость закалки. Укажите, какое это имеет практическое  значение.

 

Термическая обработка легированных сталей по сравнению с обработкой углеродистых имеет ряд технологических особенностей. Эти особенности заключаются в различии температур и скорости нагрева, длительности выдержки при этих температурах и способе охлаждения. 
Критические температуры у одних легированных сталей выше, у других - ниже, чем у углеродистой стали. Все легирующие элементы можно разбить на две группы: элементы, повышающие критические точки Ас1 и Ас3, а, следовательно, и температуры нагрева при термической обработке (отжиге, нормализации и закалке), и элементы, понижающие критические точки. К первой группе относят Си, V, W, Si, Ti и другие элементы. В связи с этим отжиг, нормализацию и закалку сталей, содержащих перечисленные элементы, производят при более высоких температурах, чем отжиг, нормализация и закалка углеродистых сталей. Ко второй группе относят Mn, Ni и другие элементы.

Для легированных сталей требуется несколько большее время выдержки, так как они обладают худшей теплопроводностью. Длительная выдержка необходима также для получения лучших механических свойств, поскольку она обеспечивает полное растворение легированных карбидов в аустените. 
Скорость охлаждения при термической обработке устанавливают в соответствии с устойчивостью переохлажденного аустенита и значением критической скорости закалки. Практически многие легированные стали закаливаются на мартенсит в масле, т. е. при меньшей скорости охлаждения, чем углеродистая сталь. У высоколегированных сталей, если они к тому же содержат большое количество углерода, способность к самозакаливанию выражена очень сильно, у низколегированных и малоуглеродистых сталей - слабее. Это объясняется большой стойкостью аустенитных зерен к превращению их при температуре Ас1 в зерна перлита. 
Легированная сталь обладает большей прокаливаемостью, чем углеродистая. Чем выше степень легированности сталей, тем более глубокой прокаливаемостью они обладают. Из легированных инструментальных сталей особый интерес представляют быстрорежущие стали, широко используемые для изготовления режущего инструмента. 
Вольфрам, в быстрорежущей стали – основной легирующий элемент. Благодаря его высокому содержанию закаленная сталь не теряет режущей способности при высоких температурах. Вольфрам придает, быстрорежущей стали красностойкость.

Ванадий является сильным карбидообразующим элементом и создает прочные карбиды, которые затрудняют рост зерна при нагреве под закалку и уменьшают склонность стали к перегреву. Под влиянием ванадия увеличивается красностойкость быстрорежущей стали и повышается эффект вторичной твердости при отпуске, заключающийся в том, что если отпуск такой стали повторить несколько раз, то можно обеспечить полное или почти полное превращение остаточного аустенита в мартенсит. Это несколько увеличивает твердость по сравнению с закаленным состоянием. 
Углерод в быстрорежущей стали очень важен как элемент, придающий стали способность закаливаться на высокую твердость. Хром в количестве около 4% настолько сильно понижает критическую скорость закалки, что сталь становится «самозакаливающейся», т. е. закаливается на воздухе. При содержании хрома выше нормы резко увеличивается количество остаточного аустенита в структуре закаленной стали, что приводит к снижению стойкости инструмента. В быстрорежущей стали содержатся марганец и кремний (не более 0,4% каждого), сера и фосфор (не свыше 0,06% в сумме). 
Изделия из быстрорежущей стали до температуры закалки необходимо нагревать ступенчато: вначале медленно до 800-850°С, а затем более быстро до установленной температуры закалки (1230-1300°С). Такой способ нагрева позволяет избежать тепловых напряжений за счет уменьшения разности между температурами поверхности изделия и сердцевины металла. В качестве охлаждающей среды используют минеральное масло. Структура закаленной быстрорежущей стали представляет собой сочетание мартенсита, остаточного аустенита и сложных карбидов.

После закалки изделия из быстрорежущей стали обязательно подвергают отпуску. Отпуск таких сталей имеет свои особенности. Как правило, изделия подвергают многократному отпуску (два-три раза) при температуре 560°С для стали Р9 и 580°С Для стали Р18 с выдержкой 1 ч. Если после закалки применяют обработку холодом при температуре -80°С, то выполняют только один отпуск. Объясняется это тем, что при указанной отрицательной температуре в быстрорежущих сталях заканчивается бездиффузионное мартенситное превращение – основная часть остаточного аустенита превращается в мартенсит. Таким образом, после термической обработки структура быстрорежущей стали представляет собой отпущенный мартенсит и карбиды.

 

Вопрос 118. Опишите бронзы, обладающие антифрикционными свойствами. Укажите их состав, марки, достоинства и недостатки по сравнению с баббитами.

 

Ответ

Антифрикционные сплавы применяют для заливки вкладышей подшипников. Основные требования, предъявляемые к антифрикционным сплавам, определяются условиями работы вкладыша подшипника. Эти сплавы должны иметь достаточную твердость, но не очень высокую, чтобы не вызвать сильного износа вала; сравнительно легко деформироваться под влиянием местных напряжений, т. е. быть пластичными; удерживать смазку на поверхности; иметь малый коэффициент трения между валом и подшипником. Кроме того, температура плавления этих сплавов не должна быть высокой, и сплавы должны обладать хорошей теплопроводностью и устойчивостью против коррозии. Для обеспечения этих свойств, структура антифрикционных сплавов должна быть гетерогенной, состоящей из мягкой и пластичной основы и включений более твердых частиц. При вращении вал опирается на твердые частицы, обеспечивающие износостойкость, а основная масса, истирающаяся более быстро, прирабатывается к валу и образует сеть микроскопических каналов, по которым циркулирует смазку и уносятся продукты износа. Этим всем требованиям отвечают бронзовые сплавы, они обладают по сравнению с баббитами более высокой твердостью, микропористостью для удержания смазки, теплопроводностью, имеют более лучшую прирабатываемость и более высокую коррозионную стойкость в среде масел. Для изготовления вкладышей подшипников, работающих при повышенном удельном давлении и больших скоростях, применяют свинцовую бронзу БрСЗО с содержанием   27—33 % РЬ,   остальное   Си.