Контрольная работа по дисциплине "Материаловедение"

Свинец практически не растворяется в меди в жидком состоянии (рис. 4), поэтому при затвердевании такой механической смеси жидких фаз получается также механическая смесь твердых фаз свинца и меди, в соответствии с диаграммой состояния Си+РЬ (см. рис. 4).

Теплопроводность бронзы БрСЗО высокая, следовательно, подшипники меньше нагреваются, высокие механические свойства при нагреве сохраняются до сравнительно высоких температур (200 °С), поэтому ее применяют для вкладышей подшипников наиболее мощных двигателей, кроме этого бронзовые подшипниковые сплавы дешевле чем баббиты.

 

Рис. 4 Диаграмма сплава медь + свинец

Широкое применение получили алюминиево-железистые бронзы БрАЖ9-4, БрАЖМц 10-3-1,5. Состав  БрАЖ9-4 – алюминия 9%, железа- 4%. Состав БрАЖМц 10-3-1,5 – алюминия 10%, железа 3%, марганца 1,5%. Свойства этих бронз позволяют применять их в наиболее ответственных, тяжело нагруженных узлах, в которых они работают значительно лучше высокооловянистых бронз, показывая высокие износоустойчивость и механическую прочность. Показатели нагрузок и скоростей скольжения для БрАЖ: Р=300 кгс/см2; V до 8 м/с; Р х V до 600кг х м/см2 х с. Из данных бронз лучше изготавливать детали, работающие на изгиб (венцы, шестерни, гайки), или при повышенных температурах до 250-300o (высокие температуры не оказывают заметного влияния на механические и антифрикционные свойства). Наряду с выше перечисленными бронзами широкое применение имеют бериллиевые бронзы  например  - БрБ2. Сплав БрБ2 является весьма специфичным, отличным от других медных сплавов. Специфика этого сплава обусловлена содержащимся в нем бериллия (Ве). Бериллиевые бронзы относятся к классу так называемых дисперсионно-упрочняемых сплавов, особенностью которых является зависимость растворимости легирующих компонентов от температуры, что позволяет управлять свойствами бронз, как при производстве проката, так и при изготовлении изделий.  
В промышленных сплавах системы Cu-Be, как и в большинстве материалов с эффектом дисперсионного упрочнения, концентрационная область располагается возле границы максимальной растворимости в твердом растворе, и соответствует примерно 2% содержания Be.  
При концентрации бериллия от 1.6 до 2.0% веса, модификация бериллия, известная как β - фаза, присутствует при температуре ниже 600˚С. Эта фаза формируется как результат ограниченной твердой растворимости бериллия. В этот фактор более всего способствует отвердению при термообработке («старении»). При нагревание сплава до температуры 780˚С бериллий растворяетсяся в α -фазе (твердый раствор α + β). Резкое охлаждение до комнатной температуры поддерживает бериллий в твердом растворе. Этот процесс, называемый отжигом и делает сплав мягким и тягучим, помогает регулировать размер кристаллов, подготавливает сплав к операции «старения». Нагревание насыщенного твердого раствора до температуры 315˚С с выдержкой на этой температуре 2-3 часа вызывает осаждение упрочняющей фазы и придает сплаву высокую твердость.  
 

Вопрос 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.

 

а) Зубчатое колесо в процессе эксплуатации испытывает воздействие  сил трения и ударных знакопеременных нагрузок, поэтому для изготовления шестерни мы выбираем легированную сталь 18ХГТ, где 0,18% углерода, хрома, марганца и титана до 1,5 %. Можно было бы выбрать материал для шестерни из ряда хромоникелиевых сталей, но эти стали более дорогие, поэтому мы выберем сталь более дешевую-18ХГТ. После изготовления шестерня подвергается газовой цементации.

Цементация — процесс химико-термической обработки, представляющий  собой диффузионное насыщение  поверхностного  слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде. Цель цементации — получить высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине за счет обогащения поверхностного слоя стали углеродом в пределах 0,8-1,0%, с последующей термической обработкой. После цементации структура поверхностного слоя — мартенсит или мартенсит с небольшим количеством глобулярных включений вторичных карбидов, твердость HRC 58—62, предел прочности при растяжении – 1000 МПа.

 

б) Подшипник качения, работающий в агрессивной среде должен иметь способность выдерживать высокие нагрузки без остаточной деформации (є = 0,01%). Так как давление в области контакта при работе может достигать 2000-4000 МПа, это свойство обеспечивается применением в качестве материала для подшипников заэвтектоидных легированных хромом сталей, обработанных на высокую твердость (HRC3 > 60). Сопротивление контактной усталости. Это достигается высокой прочностью и повышенным металлургическим качеством стали. Чем меньше в стали неметаллических включений, дисперснее частицы оксидов и сульфидов, меньше содержание водорода, чем ниже пористость, меньше других металлургических дефектов, тем выше долговечность подшипников. Поэтому для подшипника качения, работающего в агрессивной среде выберем высокохромистую сталь 95Х18-Ш, где 0,95% углерода, 1,8% хрома.Эта сталь после закалки и низкого отпуска имеет высокую твердость в сочетании с коррозионной стойкостью. Ее обычно подвергают электрошлаковому переплаву.

 

в) Для изготовления штамповки из алюминиевого сплава выберем деформируемый алюминиевый сплав Д1- дуралюмин, на основе меди(3,8-4,8%),магния(0,4-0,8%) и марганца(0,4- 0,8%).  Для упрочнения Д1 подвергают закалке, при температуре 505 °С и искусственному старению. При максимальном упрочнении сплав обладает высокими коррозионными свойствами, пластичностью и ударной вязкостью.

 

 

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ   ЗАДАНИЕ № 2

 

 

1.     В  соответствии  с  номером  Вашего  варианта выписать  из  табл.  2 массовую долю углерода – 5,0% контрольного сплава и температуру – 750 ᵒС

2.     На   листе   формата   А4   вычертить   диаграмму   состояния   Fe-Fe3C. Обозначить структурные составляющие во всех областях диаграммы и описать какие структурные и фазовые превращения будут происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава.

3.     Нанести  на диаграмму фигуративную линию  контрольного  сплава, выполнить построение необходимых   конод и построить кривую охлаждения контрольного   сплава.   Дать   подробное   описание   его   микроструктуры   при медленном охлаждении.

4.      Указать к какой группе железоуглеродистых  сплавов он относится, по возможности   привести   марку   рассмотренного   сплава,   его   применение,   и определите для  него  при  заданной температуре  количество,  состав  фаз  и процентное соотношение, используя данные, приведенные с  табл. 2.

На рисунке 2 показана диаграмма состояния железо-цементит - кривая ликвидуса ABCD; - кривая солидуса  AECF;

Первичная кристаллизация сплавов системы железо — углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линия ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AECF (линия солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в a-железе . При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным.

В точке С при температуре 1147 °С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита. Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении g-железа в a-железо и распадом аустенита. 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 аустените 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 a-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.

В основном в машиностроении применяют чугуны доэвтектические, поэтому рассмотрим чугун марки СЧ18-36. Сплав с содержанием углерода 3,5% является доэвтектическим чугуном СЧ18-36, где углерода -3,5%, кремния – 2,7%, марганца – 0,8%, .фосфора-0,65%, предел прочности при растяжении- 180 МПа, относительное удлинение – 36%. Данный чугун применяется для производства тормозных барабанов  и дисков сцепления, работающих в условиях сухого трения.  Данный чугун обладает достаточной прочностью,  высокими фрикционными  и износостойкими свойствами. и  поэтому детали из этого чугуна выдерживают   большие центробежные нагрузки и нагрузки со стороны фрикционной колодки или ведомого диска.

Для определения изменений, происходящих в структурах при медленном охлаждении, необходимо произвести дополнительные построения, на диаграмме железо-цементит. На оси концентрация углерода, найдем точку концентрации углерода для данного чугуна 5 %, через найденную точку проведем линию 1-1, параллельную оси температур (см. рис 3). Данная линия пересечет линии разделов фаз в точках 1,2,3 через эти точки проведем прямые перпендикулярные оси температур и узнаем температуры изменения структуры и фаз (см. рис. 1). Для построения кривой охлаждения проведем прямые параллельные оси концентрации углерода через точки 1,2,3 и правее диаграммы железо – цементит построим кривую охлаждения II. Сплав с содержанием углерода 5 % - заэвтектический чугун.  До точки t1= 1320 °С cплав находится в  жидком состоянии. В точке t1 начинается  кристаллизация при этом выделяются кристаллы цементита первичного. При дальнейшем охлаждении жидкая фаза обедняется углеродом по линии солидуса (СD) и к моменту окончания кристаллизации t2= 1147 °С  достигает эвтектического состава ( 4.3% С, точка С). В результате эвтектического превращения оставшейся жидкости сплав будет состоять из кристаллов цементита первичного и ледебурита.

Ц1 + Л ( А 2,14 + Ц1)

При дальнейшем охлаждении чугуна в интервале температур от t1 до t2 ограниченная растворимость углерода в аустенит е приводит к диффузии его излишков из решетки Feg и образованию цементита вторичного. Структура ледебурита изменяется и приобретает вид : Л [А + Ц1 + Ц II ]. При достижении температуры t3= 727 °С аустенит обедняется углеродом до 0,8%и этим самым создаются условия для его эвтектоидного превращения. В результате аустенит, находящийся в составе ледебурита, распадается на заэвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного и чугун приобретает следующую структуру:  Ц1 + Л [П( Ф 0,02  + Ц II + Ц1 + Ц II]. Ниже t3 структура чугуна не изменяется. Для определения процентного соотношения фаз, при температуре 780°С, необходимо сделать дополнительные построения, сначала через точку 780°С, проведем прямую 2-2 параллельную оси концентрации углерода, полученная прямая пересечет прямую 1-1 в точке Л, а пересечение разделов точками К и М. Составим соотношение фаз по правилу отрезков :

Q а- количество аустенита;

 Q ц- количество цементита;

Q а = КЛ / КМ Х 100 = 0,7/ 3,37 х 100 = 30%

 Q ц = ЛМ/ КМ х 100 = 1,67/ 2,37 х 100 = 70%

Для построения кривой охлаждения проведем прямые параллельные оси концентрации углерода через точки 1,2,3,4 и правее диаграммы железо – цементит построим кривую охлаждения 3-3.

Количество компонентов- 2.

Количество фаз – 1- твердая фаза.

 

                                 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Адаскин А.М., Седов Ю.Е., Онегин А.К., Климов А.К. Материаловедение. 2005.
2. Арзамасов Б.Н., Сидорин И.И., Косолапой Г.Ф.  Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1986.
3. Башнин Ю. А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической          обработки. - М: Металлургия, 1986.
4. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение.    М.: Металлургия, 1989.
5. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986.
6. Дриц   М.Е.,   Москалев  М.А.  Технология  конструкционных   материалов и материаловедение. - М.: Высш. шк., 1990.
7. Колачев Б.А., Ливанов В.А.. Елагин А.И.   Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1981
8. Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф., Третьяков Л.В. Технология   металлов   и   материаловедение. - М.: Металлургия, 1987.
9. Кузьмин Б.А., Абраменко Ю.Е., Кудрявцев М.А. Технология металлов и. – М.: Машиностроение.1989.
10. Лахтин Ю.М. Основы материаловедения. - М.: Металлургия, 1988.
11. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение. 1990.
12. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник.  Т.1. Т.2. Т.З - М.: Металлургия. 1983.
13. Мозберг Р.К. Материаловедение. - М.: Высш. шк.. 1991.
14. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. – М.: Металлургия. 1986.
15. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы.2004.