Контрольная работа по "Материаловедению"

1Волочение медной  проволоки проводят в несколько  переходов. Часто на последних  переходах проволока разрывается.  Почему? Как можно этого избежать?

Волочение медной проволоки  связано с пластическим деформированием  металла. В результате пластической деформации происходит искажение кристаллической    решетки, зерна металла деформируются и приобретают определенную ориентировку. В металле сдвиг при пластической деформации происходит в результате перемещения дислокаций по кристаллу. Однако пластическая деформация вызывает появление и накопление в металле новых дислокаций. Накопление дислокаций в деформированном металле затрудняет и тормозит передвижение их по кристаллу, что в свою очередь вызывает сопротивление деформации со стороны металла, т.е. упрочнение. При этом пластичность металла снижается. В результате при волочении металла может происходить его разрушение.

Нагрев деформированного металла (для меди до 400°С) ведет к повышению  подвижности атомов, и среди вытянутых  зерен идет интенсивное зарождение и рост новых равновесных свободных от напряжений зерен. Новые зерна растут за счет старых, вытянутых, до их столкновения друг с другом и до полного исчезновения вытянутых зерен. При нагреве по достижении температуры начала рекристаллизации предел прочности и особенно текучести резко снижаются, а пластичность увеличивается.

Таким образом, для предупреждения разрушения при волочении медной проволоки применяют межоперационную  термическую обработку – рекристаллизационный отжиг.

 

 

 

2 Описание диаграммы железо  – цементит, содержащего 1,3 % С

Сплав с содержанием 1,3 % С относится к заэвтектоидным сталям. Сплав 1,3 % С выше ВС находится  в жидком состоянии (АВСД – линия  ликвидуса). Кристаллизация сплава начинается в точке 1 при t₁ = 1490 С с выделением из жидкого расплава кристаллов аустенита (А). Ж→А. Кристаллизация протекает в интервале температур t₁ – t₂ (1490 – 1250С).  В этом интервале происходит перераспределение углерода, количество углерода в кристаллах аустенита с понижением температуры увеличивается по линии IE. В точке 2 при t₂ = 1250 С заканчивается первичная кристаллизация, ниже t₂ сплав состоит из аустенита. Аустенит твердый раствор углерода в Fe, с кристаллической решеткой ГЦК, максимальная растворимость углерода в Fe при t = 1147 С 2,4 % С. В интервале температур t₂ – t₃ (1250 – 950 С) сплав находится в аустенитном состоянии до точки 3. В точке 3 t₃ = 950 С из аустенита выделяется углерод, который образует вторичный цементит А→Ц_II. Количество углерода в аустените уменьшается по линии ES. В интервале t₃ – t₄ температур структура сплава 1,3 % С представляет собой А+ Ц_II. В интервале температур t₃ – t₄ (950 – 727 С) аустенит обедняется углеродом до концентрации 0,8 % С. В точке 4 t₄ = 727 С сплав 1,3 % С претерпевает эвтектоидное превращение (перекристаллизация)

А_0,8→Ф_0,025 + Ц_6,67

Аустенит превращается в ферритно-цементитную смесь, в  перлит.

По окончанию эвтектоидного  превращения ниже точки 4 t₄ = 727 С структура стали складывается из двух составляющих: цементита вторичного и перлита Ц_II+П.

Определяем содержание углерода в фазах и их количество для сплава 1,3 % С при температуре 800 С.

При температуре 800С сплав 1,3 % С состоит из 2-х фаз А(аустенита) и Ц_II (цементита вторичного). Содержание углерода в фазе А определяется координатой точки а – 1 % С

Содержание углерода в фазе Ц_II определяется координатой точки в – 6,67 % С.

Количество фаз в  сплаве определяем по правилу отрезков.

Q_A = [рв] / [ав]* 100% = 6,67 – 1,3 / 6,67 – 1 *100% = 95 %

Q_ЦII = [ар] / [ав]*100% = 1,3 – 1 / 6,67 – 1 *100% = 5 %

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Конструкционные порошковые материалы

 

Порошковыми  называют  материалы,   изготовляемые   путем   прессования металлических  порошков  в  изделия   необходимой   формы   и   размеров   и последующего спекания сформованных изделий в вакууме или защитной  атмосфере при температуре 0,75–0,8ТПЛ.  Различают  пористые  и  компактные  порошковые материалы.

     Пористыми называют материалы, в которых после окончательной обработки сохраняется 10–30% остаточной  пористости.  Эти  сплавы  используют  главным образом для изготовления антифрикционных  деталей  (подшипников,  втулок)  и фильтров.

     Антифрикционные порошковые  сплавы  имеют низкий  коэффициент трения, легко прирабатываются, выдерживают значительные нагрузки и обладают  хорошей износостойкостью.

     Подшипники из порошковых сплавов могут работать  без принудительного смазывания за счет «выпотевания» масла, находящегося в порах. Подшипники изготовляют из сплавов железа и 1–7%  графита (ЖГр1,  ЖГрЗ, ЖГр7) и бронзографита, содержащего  8–10%  Sn  и  2–4%  графита  (БрОГр10–2, БрОГр8–4 и др.).

     Структура металлической основы железографитовых материалов должна  быть перлитной, с массовой  долей  связанного  углерода  ~1,0%.  Такая  структура допускает  наиболее  высокие  скорости  и  нагрузки  при  наименьшем  износе подшипников. Добавка  к  железографитовым  материалам  серы  (0,8–1,0%)  или сульфидов   (3,5–4,0%),   образующих   сульфидные   пленки    на    трущихся поверхностях,    улучшает    прирабатываемость,    уменьшает     износ     и прихватываемость сопряженных деталей.

    Коэффициент   трения  железографита  по  стали  при  смазке   0,07–0,09.

Подшипники из железографита  применяют  при  допустимой  нагрузке  не  более 1000–1500 МПа и максимальной  температуре 100–200°С.  Коэффициент  трения бронзографита  по  стали  без  смазывания   0,04–0,07   и   со   смазыванием 0,05–0,007. Допустимая нагрузка 400–500 МПа и рабочая температура не  выше 200–250°С.

    Механические свойства железографита: B=180ч300 МПа и твердость 60–120

НВ, а бронзиграфита: B=30ч50 МПа, твердость 25–50 HВ.

     Спеченные  материалы  на  основе  железа  и  меди  используют   и   для

фрикционных изделий  (дисков,  сегментов)  в  тормозных  узлах.  Фрикционные изделия должны иметь высокий коэффициент  трения,  достаточную  механическую прочность и хорошее сопротивление износу. Для повышения коэффициента  трения в состав фрикционных материалов вводят карбиды  кремния,  бора,  тугоплавкие оксиды и т.д. Компонентами  твердого  смазочного  материала  служат  графит, свинец, сульфиды и др.

     Коэффициент трения по чугуну  (трение  без смазочного  материала)  для

материала на железной основе составляет 0,18–0,40,  а  на  медной  основе  –

0,17–0,25.

Фрикционные сплавы на медной основе применяют для  условий  жидкостного трения в паре с закаленными стальными деталями (сегменты, диски сцепления  и т.д.)  при  давлении  до  400  МПа  и  скорости  скольжения  до  40  м/с   с максимальной температурой  300–350°С.  Типичным  фрикционным  материалом  на основе меди является сплав МК5, содержащий 4% Fe, 7% графита, 8% Рb, 9%  Sn, 0–2% Ni.

    Для работы в условиях  трения без смазочного материала  (деталей тормозов

самолетов,  тормозных  накладок  тракторов,  автомобилей,  дорожных   машин,

экскаваторов и т.д.) применяют  материалы  на  железной  основе.  Наибольшее

применение получил материал ФМК-11 (15% Cu, 9% графита, 3% асбеста, 3%  SiO2 и 6% барита), фрикционные  материалы  изготовляют  в  виде  тонких  секторов (сегментов, полос) и крепят на стальной основе (для упрочнения).

    Широко применяют порошковые материалы для фильтрующих изделий.  Фильтры в виде втулок, труб, пластин  из  порошков  Ni,  Fe,  Ti,  Al,  коррозионно- стойкой стали, бронзы и других материалов g пористостью 45–50%  (размер  пор 2–20 мкм) используют для очистки жидкостей и газов от твердых примесей.

    В электротехнике  и радиотехнике применяют порошковые  магниты на  основе Fe–Ni–А1–сплава (типа алнико) и др.  Свойства  порошковых  магнитов  нередко выше свойств литых магнитов.

    Большое применение  в машинах  для  контактной  сварки,  приборах  связи

получили  контакты  из  порошковых  материалов.  Для  этой  цели   применяют

псевдосплавы тугоплавких  металлов (W  и  Мо)  с  медью  (МВ20,  МВ40,  MB60, MB80), серебром (СМ30, СМ60, СМ80, СВ30, СВ50, СВ85 и др.)  или с оксидом кадмия (ОК8, ОК12, ОК15)  и  др.  Контакты  отличаются  высокой  прочностью, электропроводимостью и электроэрозионной  стойкостью.  Токосъемники  (щетки) изготовляют из порошков меди (или серебра) с графитом (углем).

     Все  больше  порошковая  металлургия   применяется   для   изготовления

специальных  сплавов:  жаропрочных  на   никелевой   основе,   дисперсионно-

упрочненных материалов на  основе  Ni,  Ai,  Ti  и  Cr.  Методом  порошковой

металлургии получают различные материалы  на основе карбидов W, Мо и Zr.

    Спеченные алюминиевые  сплавы (САС) применяют тогда,  когда путем литья и обработки давлением трудно получить соответствующий сплав.  Изготовляют  CAC с  особыми  физическими  свойствами.   САС   содержат   большое   количество легирующих элементов (например, САС1: 25–30% Si, 5–7% Ni, остальное Аl).  Из САС1 делают детали приборов, работающих в паре  со  сталью  при  температуре 20–200°С,  которые требуют   сочетания   низкого   коэффициента   линейного расширения и малой теплопроводности.

     В  оптико-механических  и  других  приборах   применяют   высокопрочные порошковые сплавы системы А1–Zn–Mg–Си  (ПВ90,  ПВ90Т1  и  др.).  Эти  сплавы обладают  высокими  механическими  свойствами,   хорошей   обрабатываемостью резанием и релаксационной стойкостью. Изделия из  этих  сплавов подвергают термической обработке по режимам Т1 и Т2 (см. c. 396). Применяют гранулированные специальные сплавы c высоким содержанием Fe, Ni, Co, Mn, Сr, Zr, Ti, V и других элементов,  мало  растворимых  в  твердом алюминии. Гранулы – литые частицы диаметром от десятых долей  до  нескольких миллиметров.  При  литье  центробежным  способом   капли   жидкого   металла охлаждаются в воде со скоростью 104–106°С/с, что позволяет  получить  сильно пересыщенные  твердые  растворы  переходных  элементов   в   алюминии.   При последующих технологических нагревах (400–450°С) происходит распад  твердого раствора c образованием дисперсных фаз, упрочняющих сплав.

    Все более широкое применение  получают  компактные  материалы  (1–3% пористости) из порошков углеродистой и легированной стали,  бронз,  латуней, сплавов алюминия и титана для изготовления всевозможных шестерен,  кулачков, кранов,  корпусов  подшипников,  деталей  автоматических  передач  и  других деталей машин.

    Изготовляют большое количество порошковых конструкционных  (СП10-1  ...

СП10-4, СП30-1 ... СП30-4, СП30Д3-2, СП60Н2Д2-2, СП30Н3М-2, СП40Х-2, СП45Х3- 2  и др.),  мартенситно-стареющих (СПН12К5М5Г4ТЮ,   СПН12Х5М3Т   и   др.), коррозионно-стойких (СПХ17Н2, СПХ18Н15, СПХ23Н28 и др.) и других  сталей.  В маркировке сталей добавочно  введены  буква  «С»,  которая  указывает  класс материала – сталь, и буква «П» – порошковая. Цифра после  дефиса  показывает плотность стали в процентах. Стали подвергают термической обработке.

     Свойства сталей, полученных из порошков после термической обработки, во многих   случаях   уступают   свойствам    сталей,    полученных    обычными

металлургическими методами. Механические свойства порошковой  стали  зависят от плотности  и  содержания  кислорода.  При  пористости  более  3%  заметно уменьшаются ?В, ?0,2, KCU, а порог хладноломкости t50  повышается  даже  при увеличении пористости более 2%.  С  повышением  содержания  кислорода  более 0,01% снижается KCU и повышается t50.

    Поэтому  рекомендовать   порошковую  технологию  для   высоконагруженных стальных деталей  нельзя.  Вследствие  более  низких  механических  свойств, высокой стоимости исходного  материала  и  энергоемкости  процесса  спекания порошковая  конструкционная  сталь  может  быть  использована   только   для изготовления мало нагружаемых изделий, главным образом сложной формы.

    Сплавы на основе цветных  металлов (АЛП-2, АЛПД-2-4,  АЛПЖ12-4,  БрПБ–2, БрПО10–2,  БрПО10Ц3–3,  ЛП58Г2-2  и  др.)   нашли   широкое   применение   в приборостроении электротехнической промышленности и электронной  технике.  В марке сплавов первые буквы, указывают класс материала («Ал» – алюминий,  «Б» – берилий, «Бр» – бронза, «Л» – латунь  и  т.д.),  буква  «П» – порошковый сплав и число после дефиса – плотность материала в процентах. Буквы  («Д»  – медь, «Ж» – железо, «Г» – марганец и др.) и цифры в марке  указывают  состав сплава. Так же как обычные  сплавы,  порошковые  сплавы  на  основе  цветных металлов  обладают   высокой   теплопроводностью   и   электропроводимостью, коррозионной  стойкостью,  немагнитны,  хорошо  обрабатываются  резанием   идавлением.

    Порошковая металлургия  позволяет  увеличить  коэффициент   использования

металла и повысить производительность труда.

    Экономическая  эффективность   достигается  благодаря   сокращению   или

полному исключению  механической  обработки.  Вследствие  высокой  стоимости пресс-форм  изготовление  деталей  машин  методами  порошковой   металлургии эффективно только в массовом производстве.

    Применение порошковых материалов рекомендуется при изготовлении деталей простой симметричной формы  (цилиндрические,  конические,  зубчатые),  малых массы и размеров. Конструктивные формы детали не должны содержать  отверстий под  углом  к  оси  заготовки,  выемок,  внутренних  полостей  и   выступов. Конструкция и форма детали должны  позволять  равномерно  заполнять  полость пресс-формы   порошками,   их   уплотнение,   распределение   напряжений   и температуры при прессовании и удалении изделия из пресс-формы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Огнеупорные материалы