Контрольная работа по дисциплине: «Материаловедение»

Полагают, что, кроме  непосредственного давления растущих кристаллов на жидкость в замкнутых  объемах и общего сжатия наружных зон слитка при охлаждении (при  не вполне затвердевшей внутренней области), выталкивание может производиться  также давлением газов, выделяющихся из жидкого металла при затвердевании.

Есть и обратное предположение: жидкий металл засасывается изнутри к полостям, расположенным  близ поверхности, в которых может  образоваться некоторый вакуум вследствие усадки или уменьшения объема газов  при охлаждении, причем продвижению  жидкости способствуют и капиллярные  силы между кристаллами. Отсюда следует, что причина и ход процесса образования обратной ликвации требуют  еще дальнейших исследований.

Обратная ликвация проявляется тем яснее, чем крупнее  размеры отливки и чем выше перегрев металла перед литьем.

Неметаллические твердые  включения в слитке. Ликвирующие  примеси можно разделить на два  класса:

I - растворимые примеси,  дающие твердый раствор повышенной  концентрации в ликвационных  местах (как Р в стали);

II - нерастворимые  примеси, дающие твердые включения;  они были рассмотрены выше (сульфиды, окислы) Если эти включения высокоплавки (как MnS, А1203, Si02 и т. п.), значительная часть их выделяется из стали еще до затвердевания последней; особенно при крупных размерах они часто всплывают на поверхность и удаляются из металла.

Другая часть  может служить центрами кристаллизации и остается в металле или в  центре зерен, или запутавшись между  кристаллами вместе с иизкоплавкими  включениями, выделяющимися в последнюю  очередь в ликвационных местах. Особенно много сосредоточивается включений  в местах встречи и пересечения растущих кристаллов.

Такие места легко  образуются между столбчатыми кристаллами (дендритами), когда они растут навстречу  друг другу или под прямым углом. Дальше мы увидим, что в этих же местах сосредоточиваются и другие дефекты  металла, так что здесь вообще металл сильно ослаблен, поэтому такие  места называются местами слабины. Образования мест слабины можно  до известной степени избежать если не давать кристаллам расти перпендикулярно  друг к другу.

Для этого рекомендуют  делать закругления в углах. Включения, особенно сернистые, присутствуя в  ликвационных местах, позволяют легко  определять эти места, так как  общая их группировка и расположение определяются макроструктурно с  помощью обычных методов травления  макрошлифа и в особенности методом  пробы на серу.Пример подобного вида отпечатков на серу на макрошлифе стали  показан, где ликвационные участки  кажутся более темными из-за множества  мелких темных пятнышек от сернистых  включений, густо рассеянных в данных участках. Различные формы ликвации и оценка качества слитка. Расположение неметаллических включений в слитке, полученное особенно путем пробы на серу, наиболее ) бедительно подтверждает тот факт, что в крупных слитках ликвационные участки в центральной части расположены не вполне равномерно и существуют места, где особенно густо концентрируются включения.Такими местами являются чаще всего промежуточные слои между столбчатыми кристаллами и внутренней областью равноосных кристаллов. При этом часто ликвационные области в сечении слитка сближаются к вершине и расходятся к основанию слитка, образуя как бы усеченный конус, поэтому такой форме и дано название конической сегрегации (на заводах часто подобные расходящиеся сегрегационные полосы на макрошлифе слитков называют усами).В промышленности стремятся вводить количественную оценку металла (слитка) по присутствующим в нем дефектам. Например, рекомендуется оценивать качество слитка по пятибальной системе, представляя схематически для каждого балла характерный вид структуры слитка. Так, в отношении ликвации показан схематически вид поперечных сечений слитка, соответствующих оценке по пятибалльной шкале; наихудшие слитки, отвечающие баллам 4 и 5, не рекомендуется пускать на ответственные изделия. Подобная же оценка существует по отношению к неметаллическим включениям в стали и прочим дефектам в слитке.

Посторонние включения. Кроме включений указанного типа, образующихся в самом металле (входящих в его состав), в стальном слитке иногда наблюдаются в виде включений  совершенно инородные тела, случайно попадающие в металл извне: футеровка, песок, глина, шамот и т. п. Такие, в полном смысле, посторонние включения  залегают в металле неопределенно (случайно) и отличаются обычно более  крупными размерами, по которым их легко  отличить от прочих включений.

 

2. Дайте определение  ударной вязкости (KCV). Опишите методику измерения этой характеристики механических свойств металла.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту.

По ГОСТ 9454-60 (испытания  на ударную вязкость) у нас в  стране применяется несколько типов  образцов (рис.1). Основным считается  тип I. Так как при испытаниях на ударную вязкость условие подобия не реализуется, нельзя пересчитывать и сравнивать результаты определения ударной вязкости на образцах разных размеров и разной формы. Желательно, чтобы образцы имели шлифованную поверхность, на них не должно быть трещин, заусенцев. Поверхность надреза не должна иметь рисунок, царапин и других дефектов, так как они могут, существенно исказить результаты испытаний, поскольку именно дно надреза обычно является местом начала образования трещины, развитие которой приводит к разрушению образца. Если нужно произвести испытания термически обработанных образцов, то надрез на них делается после термической обработки.

Для испытаний на ударную  вязкость наибольшее распространение  получили маятниковые копры. В данной работе испытания проводятся на маятниковом  копре МК-30 (рис.2). Максимальная энергия  маятника 30 кгм.

Основной частью копра  является массивный маятник, который  может качаться на оси. В поднятом положении маятник обладает определенным запасом энергии (в зависимости  от высоты подъема). При падении маятник, проходя через вертикальное положение  ударяет по образцу и разрушает  его, на что затрачивается часть  энергии маятника. Оставшаяся часть  энергии затрачивается на подъем маятника после удара. Скорость движения маятника в момент удара по образцу  должна быть в пределах 4-7 м/сек, что  соответствует скорости деформации стандартных образцов порядка 10² 1/сек. Зная высоту подъема маятника до и после удара и его вес, можно подсчитать работу, затраченную на разрушение образца. На копре МК-30 эта работа определяется автоматически. Для этого к маятнику прикреплен поводок, который при подъеме маятника в исходное положение устанавливает подвижную рамку со шкалой в определенном положении в соответствии с высотой подъема маятника, т.е. с запасенной маятником энергией. После удара маятник, поднимаясь, тем же поводком перемещает вдоль шкалы стрелку до уровня, соответствующего высоте подъема маятника, т.е. его энергии после удара. Таким образом мы автоматически определяем разницу энергий маятника до и после удара, т.е. работу, затраченную на пластическую деформацию и разрушение образца.

 

Для вычисления ударной вязкости нужно затраченную при испытании  работу разделить на площадь поперечного  сечения образца.

 

3. Вычертите диаграмму  состояние железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения ( с применением правила фаз) для сплава, содержащего 4,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

 

 

а)                                                                       б)

Рисунок 2: а – диаграмма железо-цементит,

б – кривая охлаждения для сплава, содержащего 4,5% углерода

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

При кристаллизации сплавов  по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

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. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР_4,3 Л[А_2,14+Ц_6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура  чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит+ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они  связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры 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. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_0,8 П[Ф_0,03+Ц_6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом. Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен. В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит). Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает  зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф,

где  С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних  факторов (внешним фактором считаем  только температуру, так как  давление за исключением очень  высокого мало влияет на фазовое  равновесие сплавов в твердом  и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 4,5 % С, называется за эвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре – цементит (первичный) + ледебурит (перлит + цементит).

 

4. Вычертите  диаграмму изотермического превращения  аустенита для стали У8, нанесите на нее кривую изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 60…63 HRC. Укажите, как этот режим называется, опишите сущность превращений, и какая структура получается в данном случае.

Термической обработкой, необходимой для получения твердости 60…63 HRC, является закалка.

Рисунок 3 – Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8

Закалка – термическая  обработка – заключается в  нагреве стали до температуры  выше критической, в выдержке и охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

При закалке сталь  У8 нагревают до температуры на 30-50°С выше точки А_с1 (А_с1 = 730°С). Среда охлаждения – вода. При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества цементита. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов, обладающих высокой твердостью.

 

5. Как изменяется  структура и свойства стали  40 и У12, в результате закалки  от температуры 750 и 850° С.  Объясните с применением диаграммы  состояния железо – цементит. Выберите оптимальный режим нагрева  под закалку каждой стали.

Исходная структура среднеуглеродистой конструкционной стали 40 до нагрева  под закалку – перлит + феррит.

Критические точки для  стали 40: А_С1=730ºС, А_С3=790ºС.

При нагреве до 700ºС в стали 40 не происходят аллотропические превращения  и мы имеем ту же структуру –  перлит + феррит, быстро охлаждая (т.к. закалка), имеем также после охлаждения перлит + феррит с теми же механическими  свойствами (примерно), что и в  исходном состоянии до нагрева под  закалку. Например, после нормализации: σ_Т=36 кгс/мм², σ_В=61 кгс/мм², δ=16%, ψ=40%, НВ≈180.

Если доэвтектоидную сталь  нагреть выше А_с1, но ниже А_с3, то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 750°С (ниже точки А_с3) структура стали 40 – аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали – мартенсит + феррит.

Доэвтектоидные стали  для закалки следует нагревать  до температуры на 30-50°С выше А_с3. Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 820-840°С. Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.

Нагрев и выдержка стали 40 при температуре выше 850ºС приводит к росту зерна и ухудшению  механических свойств стали после  термической обработки. Крупнозернистая  структура вызывает повышенную хрупкость  стали.

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

Критические точки для  стали У12: А_С1=730ºС, А_С3=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.