Контрольная работа по "Материаловедение"

 Согласно молекулярно-кинетическим представлениям, плавление осуществляется следующим образом. При подведении к кристаллическому телу теплоты увеличивается энергия колебаний (амплитуда колебаний) его атомов, что приводит к повышению температуры тела и способствует образованию в кристалле различного рода дефектов (незаполненных узлов кристаллической решётки — вакансий; нарушений периодичности решётки атомами, внедрившимися между её узлами.). В молекулярных кристаллах может происходить частичное разупорядочение взаимной ориентации осей молекул, если молекулы не обладают сферической формой. Постепенный рост числа дефектов и их объединение характеризуют стадию предплавления. С достижением температуры плавления в кристалле создаётся критическая концентрация дефектов, начинается плавление— кристаллическая решётка распадается на легкоподвижные субмикроскопические области. Подводимая при плавлении теплота идёт не на нагрев тела, а на разрыв межатомных связей и разрушение дальнего порядка в кристаллах . В самих же субмикроскопических областях ближний порядок в расположении атомов при плавлении существенно не меняется. Этим объясняются меньшие значения теплот плавления по сравнению с теплотами парообразования и сравнительно небольшое изменение ряда физических свойств веществ при их плавлении.[4]

 

2.2 Сварочная ванна

Объем расплавленного металла, образующийся при сварке плавлением под воздействием источника тепла, называют сварочной ванной. Различают  сварочную ванну первого типа, образующуюся, например, при дуговой  или газопламенной сварке, и второго  типа, образующуюся при электрошлаковой  сварке.

В головной части ванны  на фронте плавления происходит плавление основного металла. Под действием давления дуги, потоков газа, реакции паров металла, конвекции, возникающей из-за неравномерного нагрева, жидкий металл под источником тепла (под сварочной дугой) оттесняется, постоянно перемещаясь в хвостовую часть ванны. В нем образуется углубление-кратер, которым определяется глубина проплавления h. В хвостовой части ванны металл охлаждается и на задней границе ванны которую называют фронтом затвердевания, кристаллизуется. Электродный или присадочный металл, расплавляясь, перемешивается в сварочной ванне с основным металлом и обеспечивает усиление q сварного шва. Между металлом шва и основным металлом свариваемой детали образуется четкая граница, которую называют зоной сплавления, или, при малой ее ширине, линией сплавления.

Размеры и параметры сварочной  ванны зависят от тепловой мощности источника тепла, скорости сварки и  теплофизических свойств свариваемого и электродного материалов. Длину  ванны при дуговой сварке можно  определить по формуле

L = k(UI)2/(Vсвδ2),

где к = 2,8...3,6 мм/(кВ*А); U - напряжение на дуге,  I - сила сварочного тока, δ - толщина свариваемых кромок, мм.

Длительность пребывания сварочной ванны в жидком состоянии  рассчитывают как отношение длины  сварочной ванны L к скорости сварки Vсв:  tж = L/ Vсв.

Ширина сварочной ванны  определяет ширину шва е, которая  характеризует форму шва. Коэффициент  формы шва ψ приближенно находят  как отношение ширины шва к  глубине проплавления: ψ=e/h.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Аллотропические изменения

 

Существование одного металла (вещества) в нескольких формах называется полиморфизмом или аллотропией. Различные кристаллические формы одного вещества называются кристаллическими или аллотропическими модификациями. Для практического материаловедения важна главным образом температурная аллотропия. Аллотропические формы обозначают греческими буквами и другие, которые в виде индексов добавляют к символу, обозначающему элемент. Низкотемпературную модификацию обозначают буквой и так далее. [1. стр29]

Аллотропическое превращение  при нагревании происходит с поглощением  тепла, а при охлаждении — с  его выделением. Как в процессе нагревания, так и в процессе охлаждения аллотропическое превращение происходит с некоторым запаздыванием. Это явление называется гистерезисом. Оно характерно для аллотропических превращений.

Самый распространенный в  технике металл — железо. Оно  имеет аллотропические превращения. Их легко проследить, если рассмотреть  процесс охлаждения жидкого железа до комнатной температуры.

До 1539° С происходит плавное  остывание жидкого железа. На кривой охлаждения при этой температуре  появляется площадка; железо затвердевает и выделяется скрытая теплота кристаллизации. Пока все железо не затвердеет, температура не изменяется. В интервале 1539—1392° С температура плавно снижается. Здесь железо имеет кристаллическую решетку объемно-центрированного куба Fe6 (— железо).

При 1392° С на кривой охлаждения появляется вторая площадка, связанная  с аллотропическим превращением -железа в -железо. Оно сопровождается выделением тепла, поэтому на кривой охлаждения появляется площадка; -железо имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба. При алло-тропическом превращении исчезают старые зерна и появляются новые.

Следующая площадка на кривой охлаждения наблюдается при 911° С. Она вызвана превращением -железа в -железо. Кристаллическая решетка из гранецентрированной кубической опять перестраивается в объемноцентрированную, которая существовала ранее в интервале 1539—1392° С. Далее структура -железа сохраняется до самых низких температур.

Последняя площадка на кривой охлаждения при 768° С связана с  превращением особого рода. При этой температуре не происходит изменения  в кристаллической решетке и  не появляются новые зерна. Тепловой эффект связан не с изменением строения кристаллической решетки, а с  перестройкой электронных оболочек атомов. Выше этой температуры железо парамагнитно (немагнитно), ниже — ферромагнитно (магнитно). Парамагнитное а-железо называют иногда В-железом.

 

 

4 Магнитотвердые материалы

 

Магнитно-твёрдые материалы, магнитно-жёсткие (высококоэрцитивные) материалы, магнитные материалы, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно сильных магнитных полях напряжённостью в тысячи и десятки тысяч а/м (102-103 э). Магнитотвердые материалы характеризуются высокими значениями коэрцитивной силы Hc, остаточной индукции Br, магнитной энергии (BH) max на участке размагничивания - спинке петли гистерезиса. После намагничивания магнитотвердые материалы остаются магнитами постоянными из-за высоких значений Br и Hc. Большая коэрцитивная сила магнитотвердых материалов может быть обусловлена следующими причинами: 1) задержкой смещения границ доменов благодаря наличию посторонних включений или сильной деформации кристаллической решётки; 2) выпадением в слабомагнитной матрице мелких однодоменных ферромагнитных частиц, имеющих или сильную кристаллическую анизотропию, или анизотропию формы.

Магнитотвердые материалы классифицируют по разным признакам, например, по физической природе коэрцитивной силы, по технологическим признакам и другим. Из магнитотвердых материалов наибольшее значение в технике приобрели: литые и порошковые (недеформируемые) магнитные материалы типа Fe - Al - Ni - Со; деформируемые сплавы типа Fe - Со - Mo, Fe - Со - V, Pt - Со; ферриты (гексаферриты и кобальтовый феррит). В качестве магнитотвердых материалов используются также соединения редкоземельных элементов (особенно лёгких) с кобальтом; магнитопласты и магнитоэласты из порошков ални, альнико, ферритов со связкой из пластмасс и резины , материалы из порошков Fe, Fe - Со, Mn - Bi, SmCo5.    Высокая коэрцитивная сила литых и порошковых магнитотвердых материалов (к ним относятся материалы типа альнико, магнико и другие) объясняется наличием мелкодисперсных сильномагнитных частиц вытянутой формы в слабомагнитной матрице. Охлаждение в магнитном поле приводит к предпочтительной ориентации у этих частиц их продольных осей. Повышенными магнитными свойствами обладают подобные магнитотвердые материалы, представляющие собой монокристаллы или сплавы, созданные путём направленной кристаллизации [их максимальная магнитная энергия (BH) max достигает 107 гс-э]. магнитотвердые материалы типа Fe - Al - Ni - Со очень тверды, обрабатываются только абразивным инструментом или электроискровым методом, при высоких температурах их можно изгибать. Изделия из таких магнитотвердых маиериалов изготавливаются фасонным литьём или металлокерамическим способом.

Деформируемые сплавы (важнейшие  из них - комолы и викаллои) более  пластичны и значительно легче  поддаются механической обработке. Дисперсионно-твердеющие сплавы типа Fe - Со - Mo (комолы) приобретают высококоэрцитивное состояние (магнитную твёрдость) в  результате отпуска после закалки, при котором происходит распад твёрдого раствора и выделяется фаза, богатая молибденом. Сплавы типа Fe - Со - V (викаллои) для придания им свойств магнитотвердых материалов подвергают холодной пластической деформации с большим обжатием и последующему отпуску. Высококоэрцитивное состояние сплавов типа Pt - Со возникает за счёт появления упорядоченной тетрагональной фазы с энергией анизотропии 5-107 эрг/см3. Из литых, порошковых и деформируемых магнитотвердых материалов изготавливают постоянные магниты, используемые в измерительных приборах (например, амперметрах и вольтметрах постоянного тока), в микродвигателях и гистерезисных электрических двигателях, в часовых механизмах и др. К магнитотвердым материалам относятся гексаферриты, то есть ферриты с гексагональной кристаллической решёткой (например, BaO-6Fe2O3, SrO-6Fe2O3). Кроме гексаферритов, в качестве магнитотвердых материалов применяется феррит кобальта CoO-Fe2O3 со структурой шпинели, в котором после термической обработки в магнитном поле формируется одноосевая анизотропия, что и является причиной его высокой коэрцитивной силы. Магнитно-твёрдые ферриты применяются для работы в условиях рассеянных магнитных полей и в СВЧ-диапазоне. Изделия из ферритов изготовляют методами порошковой металлургии. [5]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Стали для измерительных  инструментов

 

Основные свойства, которыми должны обладать эти стали,-высокая износостойкость и постоянство размеров и формы в течение длительного срока службы. К дополнительным требованиям относятся возможность получения высокой чистоты поверхности (до 14 – го класса) и мелкая деформация при термообработке. Наиболее широко применяются низколегированные стали  Х, ХГ, ХВГ, 9ХС, обрабатываемые на высокую твердость (HRС=60-64). В отличие от режущего инструмента, термообработка проводится таким образом, чтобы затруднить процесс старения, который происходит в закаленной стали и вызывает объемные изменения, недопустимые для инструментов высоких классов точности.

Причинами старения служат частичный распад мартенсита, превращение  остаточного аустенита и релаксация внутренних напряжений, вызывающая пластическую деформацию. Для уменьшения остаточного аустенита закалку проводят с возможно более низкой температуры. Кроме того, инструмент повышенной точности подвергают обработке холодом при

-50…-80^оС. Отпуск проводят в течение 24-48 ч. при 120-140^оС. Более высокий нагрев не применяют из-за снижения износостойкости. Инструмент высокого класса точности подвергают неоднократному чередованию обработки холодом и кратковременного (2-3ч.) отпуска.

Плоские инструменты (скобы, линейки, шаблоны) изготавливают из листовых цементируемых сталей 15,20,15Х,20Х,12ХНЗА или сталей 50,55, закаливаемых с поверхности  токами высокой частоты. Поскольку  неравновесная структура в этих сталях образуется только в поверхностном  слое, то происходящие в нем объемные изменения мало отражаются на размерах всего инструмента.

Для инструментов большого размера и сложной формы применяют  азотируемую сталь 38ХМЮА.[1.стр213]

 

6 Описать общую схему производства стали из чугуна

 

Первой ступенью получения  стали является выплавка из руды чугуна.

 Выплавка чугуна из  руды производится в доменных  печах. Материалами, участвующими  в этом процессе, являются железные  руды, флюсы (плавни) и топливо.

  Железные руды представляют собой окислы железа, т. е. различные соединения железа с кислородом. Обычно в составе руды имеются также и другие, не содержащие окислов железа, минералы, которые в металлургии называются «пустой породой».

 Задачей доменного  процесса является восстановление  железа, т. е. удаление кислорода  из окислов железа. Одновременно с восстановлением железа удаляются пустые породы. Так как эти породы тугоплавки, к ним добавляют флюсы, т. е. вещества, образующие с ними легкоплавкие соединения. Пустыми породами в большинстве случаев является кремнезем (SiO2) и глинозем (Аl2О3). В качестве флюса обычно добавляют известняк (СаСО3). Сплавы флюсов с пустыми породами, являющимися отходами доменного процесса, называются доменными шлаками. Их удаляют из доменной печи в расплавленном состоянии. В доменных печах в качестве топлива применяют в большинстве случаев каменноугольный кокс — продукт сухой перегонки коксующихся сортов каменного угля. Благодаря этому топливу достигается температура, необходимая не только для восстановления железа, но и для получения расплавленного чугуна и шлака.

 Чугуны, получаемые при  доменной плавке, подразделяются  на литейные, применяемые для  отливки труб, радиаторов и других  изделий; передельные, идущие  для производства стали, и специальные.

 Основной задачей при  переделке чугуна на сталь  является понижение содержания  примесей (С, Mn, Si, Р, S). Это достигается  переводом примесей в соединения, не растворяющиеся в расплавленном  металле, переходящие в шлак  и удаляемые вместе с ним. При высоких температурах плавления металла требуется специальная футеровка (облицовка) изнутри металлического кожуха печи, иначе он начнет плавиться или даст значительные изменения формы. Материал футеровки, будучи огнеупорным, тем не менее в некоторой степени участвует в происходящих во время плавки реакциях образования шлака, поэтому его состав имеет большое значение. Для футеровки металлургических печей применяют следующие материалы: шамотный кирпич и шамотные изделия (шамотом называют предварительно обожженную огнеупорную глину); дннасовый кирпич и изделия, получаемые путем обжига измельченных кварцевых пород с известковой связкой; магнезитовый кирпич и порошок из обожженного магнезита; доломитовый кирпич и порошок из обожженного доломита.