Контрольная работа по "Технологии конструкции машин и материаловедения"

Контрольная работа №1.

Вариант 4

Вопрос 1:               Объясните механизм влияния различных модификаторов на строение литого металла.

Ответ:              Модифицирование – использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в итоге улучшение механических свойств. Так, например, при модифицировании магниевых сплавов зерно уменьшается с 0,2-0,3 до 0,01-0,02 мм. При литье слитков в фасонных отливках модифицирование чаще проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды, оксиды), кристаллизирующиеся в первую очередь. Выделяясь в виде мельчайших частиц, эти соединения служат зародышами образующихся при затвердевании кристаллов (модификаторы I рода). В качестве модификаторов при модифицировании алюминиевых сплавов применяют Ti, V, Zr; стали – Al, V, Ti. Иногда используют растворимые в жидком металле модификаторы (модификаторы II рода), избирательно адсорбирующиеся на кристаллическом зародыше, которые снижают межфазовое поверхностное натяжение и затрудняют рост кристаллитов. Для алюминиевых сплавов в качестве модификаторов второго рода используют Li, Na, K, для стали – редкоземельные элементы.

Для измельчения структуры эвтектики и устранения избыточных кристаллов кремния силумины модифицируют натрием (0,05-0,08%) путем присадки к расплаву смеси солей 67% NaF и 33% NaCl. В присутствии натрия происходит смещение линий диаграммы состояния и заэвтектический (эвтектический) сплав АЛ2 (11-13% Si) становится доэвтектическим. В этом случае в структуре сплава вместо избыточного кремния появляются кристаллы α-твердого раствора. В процессе затвердевания кристаллы кремния обволакиваются пленкой силицида натрия Na2Si, которая затрудняет их рост. Такие изменения структуры улучшают механические свойства.

Вопрос 2:               Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600° до 20°С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,8% углерода. Приведите маркировку и основные свойства углеродистых инструментальных сталей.

Ответ:              В сплавах системы Fe-Fe3C встречаются следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы на основе различных кристаллических модификаций железа:феррит, аустенит, цементит.

Феррит-твердый раствор углерода в a –железе. В феррите сохраняется кристаллическая решетка a -железа – объемно-центрированный куб. Феррит занимает на диаграмме узкую область, примыкающую к железу QPG. Максимальная растворимость углерода в нем не более 0,025 %, при комнатной температуре она равна 0,006 %. Твердость феррита около 800–1000 МПа, предел прочности s в~ 250 МПа; s т~ 120 МПа, относительное удлинение (d ) до 50 %, а поперечное сужение Y -до 80 %. До температуры 770 ° С феррит ферромагнитен, выше – парамагнитен.

Аустенит-твердый раствор углерода в g -железе с гранецентрированной кубической решеткой. В аустените предел растворимости достигает 2,14 %. Твердость его равна 1700 – 2000 МПа, s в – 50 – 80 МПа. Аустенит обладает и малой склонностью к хрупкому разрушению.

Как в феррите, так и в аустените осуществляется металлический тип связи.

Цементит-химическое соединение Fe3C. Цементит содержит 6,67 %С, обладает сложной орторомбической решеткой. В решетке цементита реализуются связи как ковалентные так и металлического типа. Это подтверждается высокой твердостью (~ 10000 МПа) и хрупкостью, характерными для промежуточных фаз. Температура плавления цементита точно не установлена и принимается равной ~ 1600 °С.

На рис.3 представлена диаграмма состояния железо-цементит в фазовом виде.

Вопрос 3:               Выберите углеродистую сталь для изготовления разверток. Назначьте режим термической обработки, опишите сущность происходящих превращений, структуру и свойства инструмента.

Ответ:              Для изготовления резцов по металлу, фрез, шаберов, разверток используется инструментальная углеродистая сталь У12. Этот инструмент обладает высокой износоустойчивостью и красностойкостью.

Однако, он обладает и рядом существенных недостатков: невысокая прокаливаемость (5…10 мм), низкая теплостойкость (до 200ºС), то есть инструменты могут работать только при невысоких скоростях резания.

Исходная структура высокоуглеродистой инструментальной стали У12 до нагрева под закалку – перлит + карбиды.

Критические точки для стали У12: АС1=730ºС, АС3=820ºС.

При нагреве до 700ºС в стали У12 не происходят аллотропические превращения и мы имеем ту же структуру – перлит + карбиды, быстро охлаждая (т.к. закалка), имеем также после охлаждения перлит + карбиды с теми же механическими свойствами (примерно), что и в исходном состоянии до нагрева под закалку.

Оптимальный режим нагрева под закалку для заэвтектоидных сталей (%С>0,8%) составляет АС1+(30÷50º), т.е. для У12 – 760–780ºС. При этом после закалки имеем мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойства стали У12.

Нагрев и выдержка стали У12 при температуре 850ºС перед закалкой приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки.

Вопрос 4:               Для деталей арматуры выбрана бронза Бр.ОЦС4-4-2.5:
а) расшифруйте состав и опишите структуру сплава;
б) объясните назначение легирующих элементов и приведите механические свойства сплава.

Ответ:              Маркировка бронз: буквы Бр обозначают—бронза, затем следуют буквы, указывающие названия входящих элементов, а затем цифры. процентного содержания этих элементов. Например, бронза марки Бр. ОЦС 4-4-2,5 содержит 4% Sn, 4% Zn, 2,5 Pb.

Бронза данной марки по химическому составу является простой (оловянистой).

По структуре бронза Бр.ОЦС4-4-2.5 - однофазная (содержание Sn до 10%).

Оловянные бронзы легируют свинцом для повышения жидкотекучести и плотности улучшения антифрикционных свойств и обрабатываемости.

Оловянные бронзы легируют цинком, что:

1)      снижает склонность  к ликвации и повышает жидкотекучесть, поскольку уменьшается температурный интервал кристаллизации сплавов;

2)      способствует получению более плотного литья;

3)      раскисляет расплав и уменьшает содержание в нем водорода;

4)      улучшает прочностные свойства.

По назначению бронза Бр.ОЦС4-4-2 относится к деформируемым бронзам, они отличаются более высокой прочностью, вязкостью, пластичностью, сопротивлением усталости. Бронза БрОЦС4-4-2,5 совсем не обрабатывается давлением в горячем состоянии из-за присутствия в ней легкоплавкой эвтектики. Эта бронза предназначена для изготовления деталей, работающих в условиях трения.

Вопрос 5:               Опишите неорганические материалы, применяемые в машиностроении (стекло, кварц, пеностекло и стеклоэмали).
Опишите технологию производства изделий из силикатных материалов.

Ответ:              Стекло - это однородное аморфное вещество, получаемое при затвердевании расплава оксидов. В составе стекла могут присутствовать оксиды трех типов: стеклообразующие, модифицирующие и промежуточные. Стеклообразующими являются оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка. К модифицирующим оксидам, введение которых понижает температуру плавления стекла и существенно меняет его свойства, относятся оксиды щелочных (Na, К) и щелочноземельных (Са, Mg, Ва) металлов.

Промежуточными являются оксиды алюминия, свинца, титана, железа. Они могут замещать часть стеклообразующих оксидов. Стеклообразующий каркас стекла представляет собой непрерывную пространственную решетку, в узлах которой расположены ионы, атомы или группировки атомов.

Химический состав стекла можно изменять в широких пределах. Поэтому и свойства стекла могут быть различными. По химическому составу в зависимости от природы стеклообразующих оксидов различают силикатное, алюмосиликатное, боросиликатное, алюмоборосиликатное и другие виды стекла.

В зависимости от содержания модификаторов стекло может быть щелочным и бесщелочным.

По назначению различают строительное (оконное, стеклоблоки), бытовое (стеклотара, посуда) и техническое (оптическое, электротехническое, химическое и др.) стекло.

Структура и свойства стекла определяются его химическим составом, условиями варки, охлаждения и обработки.

Стекло - термопластичный материал, при нагреве оно постепенно размягчается и переходит в жидкость. Плавление происходит в некотором температурном интервале, величина которого зависит от химического состава стекла. Ниже температуры стеклования Те стекло приобретает хрупкость. Для обычного силикатного стекла Те = 425-600 'С. Выше температуры плавления стекло становится жидкостью. При этих температурах стекломасса перерабатывается в изделия.

Плотность стекла составляет 2,2-8,0 г/см3, Стекло высокой плотности содержит значительные количества оксидов свинца и бария.              

Стекло - жесткий, твердый, но очень хрупкий материал. Стекло хорошо сопротивляется сжатию (σсж = 400-600 МПа), но характеризуется низким временным сопротивлением при испытаниях на растяжение (30-90 МПа) и изгиб (50-150 МПа). Более прочным является бесщелочное и кварцевое стекло.              

Механические свойства стекла повышаются при термической и химической обработке. Термическая закалка стекла состоит в нагреве до температур, близких к точке размягчения, и быстром равномерном охлаждении поверхности в потоке воздуха или в масле. При этом в поверхностных слоях возникают напряжения сжатия, и прочность стекла возрастает в 2-4 раза. Для изготовления приборов, работающих при повышенном давлении, применяют безосколочное стекло -триплекс.

Триплекс представляет собой комбинированное стекло, состоящее из двух и более закаленных слоев, склеенных прозрачной эластичной пленкой. Химическая обработка состоит в травлении поверхностного слоя раствором плавиковой кислоты с уничтожением поверхностных дефектов. Еще больший эффект достигается при комбинированной химико-термической обработке. Важнейшим свойством стекла является прозрачность в диапазоне длин волн видимого света. Обычное листовое стекло пропускает до 90 %, а отражает около 8 % и поглощает около 1 % видимого света. Ультрафиолетовые лучи почти полностью поглощаются оконным стеклом.

Стекло имеет высокую химическую стойкость в агрессивных средах (за исключением плавиковой кислоты и щелочей). Вода постепенно разрушает стекло вследствие образования щелочных растворов. Чем выше температура и концентрация щелочных оксидов в стекле, тем сильнее проявляется действие воды. Стекло как технический материал широко используется в разных областях техники и народного хозяйства. Это объясняется благоприятным сочетанием физико-химических и механических свойств, возможностью изменять эти свойства в широких пределах в зависимости от состава стекла и способов термического воздействия, а также способностью стекла легко поддаваться разным способам горячей и холодной обработки.

Кварцевое стекло, состоящее практически из чистого кремнезема (99 % Si02) , в зависимости от способа получения бывает двух типов: оптически прозрачное и непрозрачное. Кварцевое стекло отличается от всех известных стекол высокими физико-химическими свойствами: высокой жаростойкостью (1400 ºС), низким температурным коэффициентом линейного расширения [(0,5-0,55) . 10-6 К- 1], высокой термической (выдерживает перепад температур 800-1000 ºС) и химической стойкостью, особенно к действию кислот (кроме плавиковой) и воды.

Кварцевое стекло имеет высокие диэлектрические характеристики, прозрачно в видимой, ультрафиолетовой и частично инфракрасной областях. Кварцевое стекло, имеющее особенно высокую термическую и химическую стойкость в сочетании с низким температурным коэффициентом линейного расширения, применяется для изготовления тиглей, термопар, электровакуумных изделий, химически стойкой тары, труб, лабораторной посуды. Для защиты деталей от коррозии при температурах до 500-600 ºс в машиностроении применяют стеклоэмали.

Пеностекло получают вспениванием жидкой стекольной массы при высокой температуре за счет введения газотвердых веществ - измельченных известняка, мела, угля. Пеностекло имеет малую плотность, низкую теплопроводность и характеризуется высоким звукопоглощением. Это негорючий, термостойкий и химически стойкий материал.

Стеклокристаллические материалы (ситаллы) получают из стекла путем его полной или частичной кристаллизации. Название «ситаллы» образовано из слов «стекло» и «кристаллы». Ситаллы иногда называют стеклокерамикой.