Технология конструкционных материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО  «Уральский государственный экономический  университет»

Центр дистанционного образования

 

Контрольная работа                                              по дисциплине

Материаловедение.

Технология  конструкционных материалов.

 

 

 

 

 

                                                 Работу выполнила:

                                                 Студентка 1-го курса   УК-12КЧ

                                                 Ф.И.О. Мезенцева С .И.

                                                 Преподаватель:  Доманская И.К.

 

 

 

Екатеринбург 2012

1. В чем состоит отличие органических и неорганических материалов?

 

Органические и неорганические вещества отличаются лишь некоторыми особенностями.

Большинство неорганических веществ имеет немолекулярное строение, поэтому они обладают высокими температурами плавления и кипения. Неорганические вещества не содержат углерода. К неорганическим веществам относятся: металлы (Са, К, Na и др.), неметаллы, благородные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe и др.), амфотерные простые вещества (Fe, Al, Mn и др.), оксиды (различные соединения с кислородом), гидроксиды, соли и бинарные соединения.

Органические  веществ, как правило, молекулярного строения, имеют низкие температуры плавления, легко разлагаются при нагревании. В состав молекул всех органических веществ входит углерод (за исключением карбидов, карбонатов, оксидов углерода, углеродосодержащих газов и цианидов). Уникальное свойство углерода образовывать огромное количество уникальных соединений. Науке известно уже более 10 миллионов органических соединений (углеводороды, кислородсодержащие, азотсодержащие, серосодержащие, фосфорсодержащие и др.)

 

 

2. Опишите процессы кристаллизации металлов при охлаждении расплавов.

 

Переход металла из жидкого  состояния в твердое с образованием кристаллической решетки называется кристаллизацией.

Кристаллизация состоит  в следующем: в жидком металле  атомы непрерывно движутся. По мере понижения температуры движение замедляется, атомы сближаются и  группируются в кристаллы. Эта первичная  группа кристаллов получила название центров кристаллизации. Далее к этим центрам присоединяются вновь образующиеся кристаллы. Одновременно продолжается образование новых центров. Таким образом, кристаллизация состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации и роста кристаллов вокруг этих центров.

Так как процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают  во времени, то кривые охлаждения (см. рис.) строятся в координатах температура- время. На кривой 1 показан идеальный  процесс кристаллизации металла  без переохлаждения. Сначала температура  понижается равномерно- кривая идет вниз. При достижении температуры затвердевания  падение температуры прекращается- на кривой образуется горизонтальный участок. Это объясняется тем, что процесс кристаллизации проходит с выделением тепла. По окончании затвердевания температура снова понижается. По закону кристаллизации чистых металлов каждый металл кристаллизуется при строго индивидуальной температуре.

Практически кристаллизация протекает несколько иначе, так  как часто имеет место переохлаждение, т.е. металл при температуре затвердевания  остается жидким, и кристаллизация начинается при более низкой температуре. Разница между идеальной и  истинной температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения. Кривая 2 соответствует процессу кристаллизации с переохлаждением. Кривая 3 характерна для кристаллизации неметаллов: нет  четко выраженной температуры кристаллизации, затвердевание происходит постепенно. Степень переохлаждения является важнейшим фактором, определяющим величину зерна. При большой скорости охлаждения степень переохлаждения больше и зерна мельче. Например при отливке тонкостенных изделий получается мелкозернистая структура, а при отливке толстостенных, соответственно, крупнозернистая.

 

3. Что такое само- и гетеродиффузия? Опишите диффузионные процессы на примере металлов.

 

Процесс проникновения частиц (молекул, атомов, ионов) одного вещества между частицами другого вещества вследствие хаотичного движения называется диффузией. Таким образом, диффузия- результат хаотичного движения всех частиц вещества, всякого механического воздействия.

Диффузия не обязательно  связана с изменением концентрации. В металле, состоящем из одноименных  атомов, происходит их передвижение в  кристаллической решетке. Такого рода перемещение без изменения концентрации наблюдается в чистых металлах и  твердых растворах и называется самодиффузией.

Диффузия сопровождающаяся изменением концентрации, происходит только в сплавах и называется гетеродиффузией.

Процессы диффузии в металлах играют значительную роль. Если два  металла приводятся в тесное соприкосновение  лучом наплавления или спрессовывания порошка одного металла с другим и подвергаются действию достаточно высоких температур, то каждый из этих двух металлов диффундирует в другой. Если один из металлов жидкий, то он одновременно диффундирует в твердый и растворяет его.

На явлении диффузии основан  процесс металлизации- покрытия поверхности  изделия слоем металла или  сплава для сообщения ей физических, химических и механических свойств, отличных от свойств металлизируемого материала. Применяется для защиты изделий от коррозии, износа, повышения контактной электрической проводимости, в декоративных целях. Так для повышения твердости и жаростойкости стальных деталей применяют цементацию. Она заключается в том, что стальные детали помещают в ящик с графитовым порошком, который устанавливают в термической печи. Атомы углерода вследствие диффузии проникают в поверхностный слой деталей. Глубина проникновения зависит от температуры и времени выдержки деталей в термической печи.

На явлении диффузии основана диффузионная сварка металлов. Методом  диффузионной сварки без применения припоев, электродов и флюсов соединяют  между собой металлы, неметаллы, металлы и неметаллы, пластмассы. Детали помещают в закрытую сварочную  камеру с сильным разряжением, сдавливают и нагревают до 800 градусов. При  этом происходит интенсивная взаимная диффузия атомов в поверхностных  слоях контактирующих материалов.

 

4. Марка стали 38ХН3МФА

 

38 – 0,38% углерода

Х - меньше 1,5% хрома

Н3 - 3% никеля

М - меньше 1,5% молибдена

Ф - меньше 1,5% ванадия

А - высококачественная

Сталь легированная, т.к. содержит легирующие элементы (Х, Н, М, Ф),                    конструкционная т.к. содержание С (углерода) менее 0,7% , высококачественная т.к. содержание S (серы) и Р (фосфора) менее 0,03%.

По химическому составу: по содержанию углерода- среднеуглеродистая       С 0,25…0,6%; по содержанию легирующих элементов- среднелегированная.

Марка 38ХН3МФА относится к группе хромоникельмолибденованадиевых сталей. Основные особенности ее следующие. Первая – это способность противостоять большим нагрузкам, а вторая – хорошая прочность, которая необходима для того, чтобы выполнять свои функции под воздействием высоких температур. Именно поэтому сталь этой марки используют для производства самых ответственных и высокопрочных тяжелонагруженных деталей, работающих при высоких температурах. Весь секрет в том, что в составе 38ХН3МФА содержится большое количество никеля (именно он дает способность противостоять высоким температурам) и наличие ванадия. Кроме того, эта сталь обладает высокой твердостью, не склонна к отпускной хрупкости и обладает повышенной флокеночувствительностью. Данная марка не подлежит сварке. Применяют ее для изготовления колец турбогенераторов; при производстве деталей шахтного и горного оборудования, для деталей, работающих в условиях износа (толкатели, рычаги), для изготовления тяжело-нагруженных деталей трубопроводной арматуры.

Химический состав в % материала 38ХН3МФА

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	V	Cu
0.33 - 0.4	0.17 - 0.37	0.25 - 0.5	3 - 3.5	до   0.025	до   0.025	1.2 - 1.5	0.35 - 0.45	0.1 - 0.18	до   0.3

 

 

 

Температура критических точек материала 38ХН3МФА

Ac1 = 725 ,      Ac3(Acm) = 775 ,       Ar3(Arcm) = 300 ,       Ar1 = 250 ,       Mn = 260

 

Механические  свойства при Т=20^oС материала 38ХН3МФА

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Пруток         ГОСТ 4543-71	Ø 25		1180	1080	12	50	780	Закалка 850oC, масло, Отпуск 600oC, воздух,

 

Твердость   38ХН3МФА   после отжига

HB 10 -1 = 269   МПа

 
 
Физические свойства материала 38ХН3МФА

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20	2.1		34	7900		300
100	2.03	12	34		496	321
200	1.97	12.5	34		508	365
300	1.9	12.9	33		525	437
400	1.84	13.3	32		538	516
500	1.76	13.6	32		567	613
600	1.7	13.8	30		601	750
700	1.54	13.8	29		672	897
800	1.37	10.7	28		697	1080
T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9

 

5. Состав, основные свойства и применение штамповочных сталей.

Для обработки металлов давлением  применяют инструменты— штампы, пуансоны, ролики, валики и т. д., деформирующие  металл. Стали, применяемые для изготовления инструмента такого рода, называют штамповыми сталями (по виду наиболее распространенного инструмента).

Штамповые стали предназначены для штампов горячего деформирования и форм для литья под давлением, т.е. для работы при повышенных температурах, попеременном и многократном нагреве и охлаждении рабочего слоя, динамических нагрузках, а в ряде случаев и при значительном коррозионном воздействии обрабатываемого металла. Таким образом, эти стали должны удовлетворять большему числу требований.

Штамповые стали должны иметь:

1. Высокую теплостойкость, обеспечивающую необходимое сопротивление пластической деформации в рабочей поверхности штампа при нагреве. Она характеризуется по температуре, при которой предел текучести остается не ниже 90-100кгс/мм², поскольку удельные нагрузки при горячей штамповке достигают 80-90 кгс/мм², и по температуре нагрева, после которого сталь сохраняет твердость HRC 45 (а также HRC 50 для более теплостойких сталей). На эту твердость обрабатывают большинство штампов, так как в этом случае достигаются вязкость и необходимая  износостойкость.
2. Вязкость – эта характеристика для штамповых сталей является очень важной, так как она во многом определяет и устойчивость против разгара. При твердости HRC 45 она должна быть для большей части штампов не ниже 4-4,5 и 6 кгс·м/см² при 20˚С и при температуре эксплуатации соответственно.
3. Высокую устойчивость против разгара; она тем лучше, чем больше вязкость и меньше коэффициент теплового расширения.
4. Стойкость против коррозии и прежде всего окалиностойкость; эти свойства должны быть у сталей для штампов, рабочая поверхность которых нагревается в эксплуатации до более высоких температур (>650-700˚С) и особенно для форм литья, испытывающих агрессивное воздействие жидкого металла. Повышение стойкости достигается легированием хромом, количество которого в штамповых сталях этого назначения 6- 12%.

Штамповые стали делят на стали для инструментов холодного и горячего деформирования.

Холдное деформирование.

Основные операции холодной деформации классифицированы следующим  образом: резка, гибка, вытяжка, формовка, объемная штамповка. Наиболее тяжелонагруженными являются операции объемной штамповки (прессование, высадка) и резки (вырубка, пробивка).