Контрольная работа по дисциплине «Материаловеденье»

Федеральное агентство по образованию

____________________________________________________________________

Факультет_____________________________________________________

Кафедра ____________________________

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине Материаловеденье .

вариант 09603

Выполнил (ла):

студент(ка) курса, группы .

__________________________________________________________________

(фамилия, имя, отчество)

Проверил:

__________________________________________________________________

(оценка, дата, подпись преподавателя) (фамилия, имя, отчество преподавателя)

г. __________________,

2012

1. Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) шпинделей для станков из стали МСт6, которые должны иметь твердость HRC40-45. Опишите микроструктуру и свойства изделий.

Упрочняющая термическая обработка осуществляется путем закалки и последующего высокого или среднего отпуска. При этом, если выбор температуры нагрева для углеродистых сталей определяют из диаграммы Fe-С, то для легированных сталей эта температура несколько выше, так как получение легированного аустенита при наличии элементов Cr, Mo, V идет при более высоких температурах. В этом случае пользуются справочными данными.

Температуру отпуска выбирают в зависимости от показателей прочности и пластичности, необходимых для той или иной детали.

На чертежах вместо требований к прочности детали обычно указывают твердость. Последовательность механической и термической обработок в этом случае выглядит следующим образом:

1)  Изготовление заготовки шпинделей методом объемной штамповки с последующим отжигом (НВ = 172 ед.).

2)  Улучшение: закалка от 8200С в масле и далее отпуск при 600ºС, (НВ = 241 ед.).

3)  Предварительная механическая обработка заготовки шпинделей.

4)  Поверхностная закалка на глубину 2…3 мм и низкий отпуск 220ºС, (НRс= 40-45 ед.).

5)  Окончательная механическая обработка шпинделей.

В процессе закалки мартенсит распадается на феррито-цементитную смесь. Это превращение протекает в несколько этапов и зависит от температуры нагрева. При низком отпуске 220ºС мартенсит теряет свою тетрогональность, карбиды обосабливаются. Получаемая структура - отпущенный мартенсит. Она отличается от мартенсита закалки большей травимостью из-за дисперсных выделений карбида.

2. В результате термической обработки поршневые пальцы должны получить твердый износоустойчивый поверхностный слой при вязкой сердцевине. Для изготовления их выбрана сталь 18ХГТ: а) расшифруйте состав и определите группу, к которой относится данная сталь по назначению; б) назначьте и обоснуйте режим термической и химико-термической обработки, объясните влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали; в) опишите микроструктуру и свойства стали в готовом виде.

а) Сталь 18ХГТ

Состав: хромомарганцевая сталь содержит 0,18% углерода, до 1% хрома, марганца.

Эта марка стали относится к группе легированных конструкционных сталей, это детали, из которых наряду с повышенной прочностью и износостой-костью требуется наличие пружинящих свойств (например, это такие детали как: цанги, разрезные кольца, пружинные шайбы, фрикционные диски, коленчатые валы, полуоси, цапфы, червяки, шестерни). Детали, подвергаю-щиеся закалке и отпуску; эта сталь успешно заменяет дорогостоящие хромо-никелевые стали.

б) Последовательность операций обработки поршневого пальца, изготов-ленного из стали 18ХГТ: отливка – цементация - механическая обработка - закалка - высокий отпуск - механическая обработка.

В результате длительной выдержки при высокой температуре цементации происходит перегрев, сопровождающийся ростом зерна. Для получения высокой твердости цементованного слоя и достаточно высоких механических свойств сердцевины, а также для получения в поверхностном слое мелкоигольчатого мартенсита, деталь после цементации подвергнем последующей термической обработке.

В результате цементации поверхностный слой деталей науглероживается (0,8 – 1% С), а в сердцевине остается 0,12 – 0,32% С, т. е. получается как бы двухслойный металл. Поэтому для получения нужной структуры и свойств в поверхностном слое и в сердцевине необходима двойная термическая обработка.

Первая – закалка от °С; Вторая от °С и отпуск при °С. В результате первой закалке улучшается структура низкоуглеродистой сердцевины (перекристаллизация). При этой закалке структура поверхностного слоя тоже улучшается, так как быстрым охлаждением устраняется цементитная сетка. Но для науглероживания поверхностного слоя температура °С является слишком высокой и поэтому не устраняет перегрева. После цементации деталь поступает на механическую обработку. Основная цель закалки стали это получение высокой твердости, и прочности что является результатом образования в ней неравновесных структур – мартенсита, троостита, сорбита. Заэвтектоидную сталь нагревают выше точки Ас1 наºС. Нагрев заэвтектоидной стали выше точки Ас1 производится для того, чтобы сохранить в структуре закаленной стали цементит, является еще более твердой составляющей, чем мартенсит (температура заэвтектоидных сталей постоянна и равна ºС). Вторая закалка от 750 – 800 °С является нормальной закалкой для науглероженного слоя – устраняется перегрев и достигается высокая твердость слоя. Отпуск при 150 – 170 °С проводится для снятия внутренних напряжений. После такого режима термической обработки структура поверхностного слоя – мелкоигольчатый мартенсит с вкраплениями избыточного цементита, а сердцевины – мелкозернистый феррит+перлит.

Хром – относительно дешевый и очень распространенный легирующий элемент. Он повышает точку А3 и понижают точку А4 (замыкает область г-железа). Температура эвтектоидного превращения стали (точку А1) в присутствии хрома повышается, а содержание углерода в эвтектоиде (перлите) понижается. С углеродом хром образует карбиды (Cr7C3,Cr4C) более прочные и устойчивые, чем цементит. При содержании хрома 3 - 5% в стали одновременно присутствуют легированный цементит и карбид хрома Cr7C3, а если более 5% хрома, то в стали находится только карбид хрома. Растворяясь в феррите, хром повышает его твердость и прочность и прочность, незначительно снижая вязкость. Хром значительно увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита.

В связи с большой устойчивостью переохлажденного аустенита и длительностью его распада, изотермический отжиг и изотермическую закалку хромистой стали проводить нецелесообразно.

Хром значительно уменьшает критическую скорость закалки, поэтому хромистая сталь обладает глубокой прокаливаемостью. Температура мартенситного превращения при наличии хрома снижается. Хром препятствует росту зерна и повышает устойчивость против отпуска. Поэтому отпуск хромистых сталей проводится при более высоких температурах по сравнению с отпуском углеродистых сталей. Хромистые стали подвержены отпускной хрупкости и поэтому после отпуска детали следует охлаждать быстро (в масле).

Карбидообразующими элементами являются хром и марганец. При растворении карбидообразующих элементов в цементите образующиеся карбиды называются легированным цементитом. При повышении содержания карбидообразующего элемента образуются самостоятельные карбиды данного элемента с углеродом, так называемые простые карбиды, например, Cr7C3, Cr4C, Mo2C. Все карбиды очень тверды (HRCи плавятся при высокой температуре (Cr7C3 примерно при 1700°С).

При наличии карбидообразующих элементов кривая изотермического распада не сохраняет свой обычный С-образный вид, а становится как бы двойной С-образной кривой. На такой кривой наблюдаются две зоны минимальной устойчивости аустенита и между ними – зона максимальной устойчивости аустенита. Верхняя зона минимальной устойчивости аустенита расположена в интервале температур °С. В этой зоне происходит распад переохлажденного аустенита с образованием феррито-цементитной смеси.

Нижняя зона минимальной устойчивости аустенита расположена в интервале температур °С. В этой зоне происходит распад переохлажденного аустенита с образованием игольчатого троостита.

Необходимо иметь в виду, что карбидообразующие элементы только в том случае повышают устойчивость аустенита, если они растворены в аустените. Если же карбиды находятся вне раствора в виде обособленных карбидов, то аустенит, наоборот, становится менее устойчивым. Это объясняется тем, что карбиды являются центрами кристаллизации, а также тем, что наличии нерастворенных карбидов приводит к обеднению аустенита легирующим элементом и углеродом.

При большом содержании хрома в стали находятся специальные карбиды хрома. Твердость такой стали при нагревании до более высокой температуры °С почти не изменяется. При нагревании до более высокой температуры (°С) происходит повышение твердости.

в) Микроструктуру и свойства стали в готовом виде:

Рис. 2. 1 - Микроструктура закаленной углеродистой стали после отпуска.

Механические свойства стали после термической обработки:

- Твердость в сердцевине повысилась до HRC 56-62 (пов.), НВ 363-415 (серд.)

- Предельная прочность (ув) равна 620 Н/мм2;

Физические свойства

Температура испытания, °С	800
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа	129
Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа	49
Плотность, pn, кг/см3	7800
Коэффициент теплопроводности Вт/(м ·°С)	29
Температура испытания, °С

3. В турбиностроении используется сталь 4Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481): а) расшифруйте состав и определите группу стали по назначению; б) назначьте режим термической обработки и обоснуйте его. Опишите структуру после термической обработки; в) как влияет температура эксплуатации на механические свойства данной стали?

Сталь легированная, аустенитного класса, жаропрочная, дисперсионно-тврдеющая.

Химический состав, % (ГОСТ 5632-72)

С	Si	Mn	Cr	Nt	Mo	V	W	S	P	Cu
не более
0,38-0,47	0,9-1,4	6,0-8,0	14,0-16,0	6,0-8,0	0,65-0,95	1,5-1,9	0,2	0,020	0,035	0,30

Сталь 40Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481) после низкотемпературного старения приобретает высокую твердость, но чувствительна к надрезу, а ее жаропрочные свойства нестабильны. Поэтому для этой стали применяется нагрев 1oC, 1ч, охлаждение вода двоичное (или ступенчатое), старение 660 °С (16 ч) и 800 0С (16 ч), воздух. Старение при повышенной температуре способствует снятию части напряжений, возникающих при низкотемперату-рном старении частичной коагуляция карбидных фаз.

Механические свойства:

Предел кратковременной прочности составляет 1000 МПа. Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации) 600 МПа. Относительное удлинение при разрыве 20%. Относительное сужение 25%. Ударная вязкость 350 кДж /м2.

Твердость материала после отжига HB= 269 МПа.

Физические свойства материала:

где:

T - Температура, при которой получены данные свойства, [Град]

E - Модуль упругости первого рода, [МПа]

a - Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o - T ), [1/Град]

l - Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), [Вт/(м·град)]

r - Плотность материала, [кг/м3]

C - Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o - T ), [Дж/(кг·град)]

R - Удельное электросопротивление, [Ом·м].

4. Для отливок сложной формы используется бронза БрОФ7-0,2: а) расшифруйте состав и опишите структуру сплава; б) укажите терми-ческую обработку, применяемую для снятия внутренних напряжений, возникающих в результате литья; в) опишите механические свойства этой бронзы.

а) Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением по (ГОСТ 5017-49). Состав 6-8%, P 0,1-0,25%. Бронзу маркируют начальными буквами Бр, затем следуют буквы, показывающие какие легирующие элементы содержаться в ней, а потом цифры показывающие количество процентов этих элементов в бронзе.

б) По микроструктуре оловянные бронзы разделяют на однофазные α-бронзы (содержание олова до 6%) и двухфазные α + эвтектоид [α δ (CuslSn8)] (содержание олова более 6%). Чем больше в сплаве олова, тем больше эвтектоида, а так как эвтектоид хрупкий, то в оловянных бронзах максимальное содержание олова 11%. Для выравнивания химического состава в однофазных бронзах и для превращения двухфазной структуры с включениями твердой δ-фазы в однофазную α-фазу (в связи с чем повышается пластичность) бронзы подвергают гомогенизации при 700-750 В.°С с последующим быстрым охлаждением. Для снятия внутренних напряжений отливки отжигают при 550 В.°С. Деформируемые оловянные бронзы содержат олова до 6% (однофазные α-бронзы, например, Бр. ОЦ 4-3 и др.) и для восстановления пластичности между операциями холодной обработки давлением подвергают рекристаллизационному отжигу при 600-700В° С.

в) Плотность бронзы БрОФ7-0,2 8,6 г/см3.

Температура начала плавления 9000С.

Сопротивление 0,17 (Ом·мм2)/м.

Теплопроводность 0,1 см·с·°С.

Коэффициент линейного расширения 17,0 α 10-6, 1/°С.

Модуль упругости Е =кгс/мм2.

Среднее напряжение σ 38вкгс/мм2.

Твердость НВ85Температура отжига 600-650 ºС.

5. Опишите релаксационные процессы полимеров с точки зрения их физического строения.

Релаксационные явления в полимерах - это изменение состояния полимерных тел во времени, обусловленное установлением в них термодинами-ческого равновесия. Релаксационный переход происходит вследствие теплово-го движения структурных элементов макромолекул, и его скорость существен-но зависит от температуры и гибкости цепи.

Явление механической релаксации в полимерах впервые описано Вебером еще в 1835 году при исследовании ползучести шелковых ниток. Дальнейшее развитие представлений об этом явлении привела к созданию различных моделей, описывающих процесс механической релаксации.

Уникальность макромолекулярного строения полимерного вещества приводит к сосуществованию в них упругих и вязких свойств. Рассмотрим вещество, обладающее текучестью и находящееся под действием внешнего силового поля. Общая деформация такого вещества под действием напряже-ния сдвига (σ) равна сумме его упругой деформации и вязкого течения.

Сочетание вязких и упругих свойств в одном в одном материале может быть осуществлено набором и соединением в единой структуре элементов, каждый из которых обладает только упругими или только вязкими свойствами. Так процесс относительной деформации абсолютно упругого тела может быть описан законом Гука и изображен кривой, представленной на рис. 5.1. а.

где l - длина образца; Δl- удлинение под действием нагрузки;  Е - модуль сдвига; σ - напряжение (сила/площадь).

Рис. 5. 1 – Развитие релаксации во времени при действии постоянного напряжения для идеально упругой пружины (а) и идеально вязкой ньютоновской жидкости (б).

Процесс вязкого течения абсолютно неупругой жидкости изображен на рис. 3.1 б. Процесс вязкого течения зависит не только от величины напряжения, но и от того, как долго это напряжение действовало. Столь существенное различие между упругой деформацией и течением затрудняет получение уравнения непосредственно связывающего параметры этих двух процессов.

Скорость изменения общей деформации

- основное дифференциальное уравнение, описывающее механическую релаксацию полимеров, обладающих вязкоупругими свойствами. На его основе Максвелл предложил моделировать вязкоупругие свойства полимеров последовательным соединением простейших элементов, проявляющих эти свойства за время действия силы.

Релаксационные явления по этой модели проявляются как в изменении напряжения, так и в деформации со временем. Если растянуть модель и затем зафиксировать достигнутую деформацию, то скорость дальнейшего изменения деформации обращается в нуль, и мы приходим к дифференциальному уравнению с разделяющимися переменными

Интегрируя в пределах от 0 до t и от σ0 до σ получим

Следовательно, достигнутое в системе напряжение σ релаксирует от своего первоначального значения σ0 экспоненциально как функция времени t. Приняв η / E = τ, получим

где τ - время релаксации системы, т. е. время, в течение которого напряже-

ние в системе уменьшается в e раз. Отсюда видно, что согласно модели Максвелла в полимерном теле, подвергнутом быстрой деформации, напряжение убывает или релаксирует по экспоненциальному закону (рис. 3.4).

Рис. 5. 2 – Релаксация напряжения.

Если на систему действует постоянное растягивающее напряжение то, согласно

Это означает, что постоянное растягивающее напряжение вызывает бесконечное удлинение системы с постоянной скоростью. Это явление называю ползучестью.

Рассмотренная модель, естественно, является лишь первым приближением к реалиям. Упругость полимерного вещества отличается от ван-дер-ваальсовской упругости межмолекулярного взаимодействия низкомолеку-лярных веществ и связана с раскручиванием макромолекул при сохранении валентных углов и химических связей, т. е. с изменением формы макромолекул и взаимного расположения элементов структуры. Следовательно, модель, отражающая это качество, должна учитывать деформацию упругого элемента в среде с определенной вязкостью. Такое запаздывание упругих свойств полимерного материала лучше отображается моделью Кельвина Фойгта, в которой упругий и вязкий элементы соединены параллельно. Изменение деформации во времени указывает на наличие запаздывающей упругости или вязкоупругости. Поршень оказывает сопротивление установлению равновес-ного состояния пружины. Упругая деформация проявляется через некоторое время действия приложенной силы, которая перемещает поршень в вязкой среде. Если приложенное напряжение снято в момент времени t, то после интегрирования дифференциального уравнения получаем (рис. 5.3 а)

Рис. 5. 3 - Релаксация деформации по модели Кельвина - Фойгта а - наростание деформации до снятия приложенного напряжения в момент времени t,

6 - релаксация деформации после снятия приложенного

напряжения

Возвращение образца к исходной форме после снятия приложенного

напряжения описывается экспоненциальной зависимостью (рис. 5.3 б)

Модель Максвелла лучше описывает поведение линейных полимеров, а модель Кельвина - Фойгта сшитых.

В реальных полимерах общая деформация сочетает в себе истинно упругую деформацию Гука (модель - упругая пружина). Необратимую деформацию смещения макромолекул (модель - поршень в вязкой среде) и упругую, развивающуюся во времени (высокоэластическую) вследствие раскручивания макромолекул (модель - параллельное жесткое соединение пружины и поршня). Таким образом, более точное описание свойств реального полимера может быть получено сочетанием всех этих элементов.

Сегментальная подвижность в полимерных материалах наиболее полно реализуется в высокоэластическом состоянии. Деформации полимеров в этом состоянии являются большими и обратимыми. Обратимость полимерных материалов, однако, носит релаксационный характер, т. е. растянута во времени. Это приводит к несовпадению кривых нагрузка-удлинение при нагружении и разгружении - явлению гистерезиса.

Если скорость деформации эластомера больше скорости конформационной перестройки структуры под действием растягивающего усилия, то деформация не успевает полностью развиться за время действия деформирующего усилия. Величина деформации образца будет ниже равновесной, так как скорость перестройки формы макромолекул меньше скорости прилагаемого напряжения. Деформация частично обусловлена изменением расстояний между макромолекулами и их взаимным перемещением. На начальном участке кривой (I) деформация мала и имеет преимущественно гуковскую природу, на участке II происходит раскручивание макромолекул и преобладает высокоэластический механизм. На участке III деформируются частично выпрямленные макромолекулы, что связанно с деформацией валентных углов, т. е. вновь преобладает гуковская деформация.

При разгрузке образца скорость разгружения больше скорости возвращения макромолекул в недеформированное состояние: образец не успе-вает полностью сократиться, и значение деформации оказывается в каждый момент времени разгружения больше равновесного.

Если при деформации не происходило необратимое смещение макромолекул вследствие вязкого течения, то по достижении макромолекулами равновесной свернутой конформации остаточное удлинение образца равно нулю. Если же вязкое течение имело место, то образец никогда уже не примет свою прежнюю форму, и истинная остаточная деформация в нем соответствует величине смещения макромолекул.

Поскольку время релаксации очень сильно зависит от молекулярной массы полимера, а размеры макромолекул распределены, как правило, в достаточно широком интервале значений, реальный полимер обладает широким набором, или спектром времен релаксации. Существование спектра времен релаксации сильно затрудняет исследование равновесных свойств полимеров и в каждом отдельном случае можно говорить о степени приближения к данных наших исследований к реалиям.

Очень существенно влияние релаксационных явлений на процесс стеклования полимеров. Стеклование резко ограничивает подвижность различных звеньев макромолекулярных цепей. Однако основной процесс стеклования (α -переход) связывают с замораживанием сегментальной подвижности.

Таким образом полимер, оказывается, хранит память о параметрах процесса, приведшего к стеклованию, «помнит» свою предысторию.

Подобная «память» остается и при замораживании не только сегментов, но и других элементов макроцепи. Замораживание и размягчение подвижности элементов макромолекул сопровождается совершением работы внешних сил или над внешними силами. Поэтому процесс сопровождается скачкообразным изменением доли поглощением энергии и ведет к скачку энергетических потерь, характеризуемому тангенсом механических потерь tgδ. Зависимость tgδ от температуры является очень чувствительным к степени молекулярной подвижности в полимере методом исследования. В частности на рис. 3.9 представлена температурная зависимость tgδ от температуры для изотактического полипропилена. На зависимости проявляются как минимум три перехода. α -переход соответствует размораживанию сегментальной подвижности макроцепей. β -переход отвечает за движение более мелких структурных групп. γ -переход соответствует реализации подвижности метильных боковых привесков. Любое внешнее воздействие на структуру полимера, например введение частиц наполнителя ограничивающих подвижность макромолекул, существенно изменяет форму и положение на температурной зависимости всех трех переходов.

Список использованных источников и литературы

1. Антикяйн . - М.: Металлургия. 1972.

2. , Рахштадт . - М.: Металлургия. 1933.

3. Гуляев . - М.: Металлургия, 1986.

4. , Москалев конструкционных материалов и материаловедения. - М.: Высш. шк.. 1990.

5. , , Никонов металлов и других конструкционных материалов. - М.: Высш. шк.. 1970.

6. Лахтин металловедения. - М.: Металлургия. 1988.

7. Металловедение / . . и др. - М.: Металлургия. 1990.

8. Металловедение и термическая обработка стали: Справоч. Т.1. Т.2. Т. З. - М.: Металлургия, 1983.

9. Материаловедение и технология металлов / Под ред. , - М: Высш. шк., 2002.

10. Мозберг .- М.: Высш. шк.. 1991.

11. Технология конструкционных материалов / Под ред. . - М.: Машиностроение. 1985.

12. Технология металлов и конструкционные материалы / . , и др. - М.: Машиностроение, 1989.