материаловедение. 1. Изделия из стали 50 должны иметь твердость 230250 нв. Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска). Опишите структурные превращения и свойства стали 50 после термической обработки

• Название: 1. Изделия из стали 50 должны иметь твердость 230250 нв. Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска). Опишите структурные превращения и свойства стали 50 после термической обработки
• Дата: 20.06.2018
• Размер: 61.47 Kb.
• Имя файла: материаловедение.docx
• Тип: Документы; #47418

1. Изделия из стали 50 должны иметь твердость 230…250 НВ. Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска). Опишите структурные превращения и свойства стали 50 после термической обработки.
Критические точки для Ст50: А_С1=725ºС, А_С3=760ºС. При нагреве до 700ºС в стали 50 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.

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. Такая закалка называется неполной. Она обеспечивает хорошие механические свойства и штампуемость. При температуре нагрева структура – аустенит + феррит. При охлаждении со скоростью выше критической происходит мартенситное превращение. В результате получаем структуру феррит + мартенсит.

Термической обработкой называют процесс обработки изделий из металлов и сплавов путём теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении.

Закалка - термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава.

Температура нагрева и время выдержки должны быть такими, чтобы произошли необходимые структурные изменения. Скорость охлаждения должна быть достаточно велика, чтобы при понижении температуры не успели пройти обратные фазовые превращения.

Отпуск - термическая операция, состоящая в нагреве закалённого сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.

Оптимальный режим нагрева под закалку для доэвтектоидных сталей (%С<0,8%) составляет А_С3+(30÷50º), т.е. для Ст50 – 800-820ºС. При этом после закалки имеем мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойства, стали 50.

Нагрев и выдержка стали 50 выше температуры 820 ºС перед закалкой приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки. Крупнозернистая структура вызывает повышенную хрупкость стали.

Для обеспечения скорости охлаждения выше критической в качестве среды охлаждения выбираем воду. Структура стали 50 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.

Отпуском называется, нагрев стали до температуры ниже А_с1, выдержка при заданной температуре и последующее охлаждение с заданной скорость (обычно на воздухе). Отпуск является конечной операцией термической обработки, проводится после закалки для уменьшения внутренних напряжений и получения более равновесной структуры. Напряжения в закаленных изделиях снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Для получения твердости 230…250 НВ отпуск стали 50 необходимо проводить при температуре 500ºС. Среда охлаждения – вода. При высокотемпературном отпуске образуется структура, которая называется сорбит отпуска. Сорбит отпуска состоит из ферритной основы, пронизанной частицами цементита.

Свойства стали 50 после термической обработки: σ_т=680-780 МПа, σ_в=870-970 МПа, δ=13-11%, ψ=61-57%, а_н=120-80, НВ=230-250.

2. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривые режимов обычной закалки, ступенчатой, изотермической. Каковы преимущества и недостатки каждого из этих видов закалки?

Рисунок 1 – Диаграмма изотермического превращения аустенита для стали У8

Оптимальный способ закалки выбирают в зависимости от состава стали, формы и размеров детали. Чем больше углерода в стали, тем больше объемные изменения, тем при более низкой температуре происходит превращение аустенита в мартенсит, тем больше вероятность образования трещин, тем тщательнее нужно выбирать способ охлаждения.

Чем сложнее деталь, тем больше различие в сечениях детали, больше величина внутренних напряжений, возникающих при охлаждении. Существуют следующие способы закалки:

Закалка в одном охладителе получила наиболее широкое применение. Нагретую до определенной температуры деталь погружают в закалочную среду, где она остается до полного охлаждения. Этот способ применяют для деталей простой формы из углеродистых и легированных сталей. Детали из углеродистых сталей диаметром более 5 мм охлаждают в воде, а менее – в масле. Легированные стали охлаждают в масле. Такой способ наиболее распространен вследствие его простоты и дешевизны. Для обычной закалки характерно большое различие в скоростях охлаждения поверхности и сердцевины детали, которое является основной причиной образования термических напряжений и закалочных трещин.

При ступенчатой закалке нагретая деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру несколько выше точки М_н (обычно 230-250 °С), и выдерживается в ней до выравнивания температуры по всему сечению. Выдержка не должна быть очень длительной, чтобы не вызвать превращения аустенита в бейнит. Затем следует окончательное охлаждение на воздухе, во время которого происходит превращение аустенита в мартенсит. При ступенчатой закалке уменьшаются объемные изменения, коробление и опасность возникновения трещин. Правку изделий, склонных к короблению, осуществляют в период охлаждения на воздухе. Основной недостаток ступенчатой закалки – малая скорость охлаждения в горячей среде. Поэтому применение ступенчатой закалки к углеродистым сталям ограничено изделиями небольшого сечения (до 8-10 мм толщиной). Изделие большого сечения охлаждается в горячей среде медленно, и аустенит успевает претерпеть эвтектоидный распад. Изделия из легированных сталей, у которых меньше критическая скорость охлаждения, проще подвергать ступенчатой закалке. Так, например, ступенчатой закалкой широко пользуются при обработке инструментов и деталей машин из хромистой стали.

Изотермическая закалка выполняется так же, как и ступенчатая, но выдержка в закалочной среде более продолжительна. При такой выдержке происходит изотермический распад аустенита с образованием бейнита. Продолжительность выдержки в закалочной среде зависит от устойчивости переохлажденного аустенита при температурах выше М_н и определяется по диаграмме изотермического превращения аустенита для каждой марки стали. В основном изотермической закалке подвергают легированные стали. В качестве охлаждающих сред при ступенчатой и изотермической закалке применяют расплавленные соли или расплавленные щелочи. Добавка 5-10% воды в расплав щелочей и солей увеличивает скорость охлаждения. Резкое уменьшение закалочных напряжений и коробления – важное преимущество изотермической закалки. Кроме того, у изотермической закалки есть и другое преимущество. При бейнитном превращении в некоторых легированных сталях сохраняется большое количество остаточного аустенита, который не превращается в мартенсит при охлаждении после изотермической выдержки. Изотермическая закалка таких сталей обеспечивает высокую ударную вязкость, резко уменьшает чувствительность к надрезу по сравнению с закаленной на мартенсит и отпущенной сталью. Следовательно, изотермическая закалка позволяет повысить конструктивную прочность стали.


3. Выберите марку чугуна для деталей экскаватора, работающих с ударом. Укажите состав, обработку, структуру и основные механические свойства.
Для изготовления ответственных деталей машин выбираем марку чугуна ВЧ 50 - 1,5.

Химический состав материала: С не менее 3,2%; Mn=0,30…0,80%; Si=2,6…3,0%; Р не более 0,12%; S не более 0,02%; Cr не более 0,15%; Mg=0,04.. 0,08%.

Механические свойства отливок из чугуна ВЧ 50 - 1,5. Это высокопрочный чугун с твердостью по Бринеллю НВ: 187-255 кг/мм.

Особенностью высокопрочного чугуна является шаровидная форма включений графита, относительно равномерно рассредоточенного в структуре. Такие образования графита в наименьшей степени ослабляют сечение отливки, придавая ей высокую прочность. Шаровидную форму графит приобретает в результате обработки расплава чугуна такими модификаторами, как магний, церий и др.

Высокопрочный чугун имеет перлитную, перлитно-ферритную, ферритную и другие структуры, придающие ему различные свойства.

Так, перлитная структура чугуна обладает высокими показателями предела прочности при растяжении, но сравнительно низкими по удлинению; ферритная структура чугуна имеет высокие показатели относительного удлинения и несколько пониженные по пределу прочности при растяжении.

Повышенные механические свойства чугуна с шаровидным графитом позволяют использовать его для изготовления изделий ответственного назначения: рабочих деталей насосов высокого давления, деталей турбин, работающих в условиях ударных и знакопеременных нагрузок, клапанов, шатунов, прокатных валков и др. Температура плавления высокопрочного чугуна-1150-1200° С.
Таблица 1. Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293-70)

Чугун	Предел прочности при растяжении, кгс/мм2	Относительное удлинение, %	Ударная вязкость, кг·см/см2	Твердость НВ
ВЧ 50-1,5	50	1,5	2,0	187-255

Имеется возможность обработки деталей из этого чугуна резанием (точение, шлифование), обработка давлением исключена, свариваемость материала удовлетворительная.


4. Для изготовления деталей штампов выбрана сталь ХГЗСВ. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки стали. Объясните влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке. Опишите микроструктуру и свойства штампов после термической обработки
Сталь ХГ3СВ - легированная штамповая сталь, содержащая около 1 % углерода, 1% хрома, 3% марганца, 1% кремния, 1% вольфрама.

Стали для штампов холодного деформирования должны иметь высокую твердость, износостойкость при достаточной вязкости. Заданные свойства соответствуют структуре мартенсита отпуска и могут быть получены в результате термообработки, включающей закалку и низкий отпуск. Закалка стали - основной упрочняющий способ термической обработки конструкционных и инструментальных сталей. Закалкой называется термическая операция, связанная с нагревом стали выше температуры фазовых превращений, выдержкой и последующим быстрым охлаждением (в каком-либо охладителе). Для легированных сталей, содержащих специальные карбиды, температура нагрева под закалку выбирается по справочнику в зависимости от состава стали и намного превышает критические точки.

Скорость охлаждения стали после нагрева и выдержки оказывает решающее влияние на результат закалки. Режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали большие напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин. Эти напряжения складываются из термических и структурных.

Для легированных сталей при закалке применяют минеральное масло. Оно не изменяет охлаждающей способности при нагреве (20 - 150°С), не образует «паровой рубашки». Перепад температуры между поверхностью и центром изделия при закалке в масле меньше, чем при охлаждении в воде, а следовательно, меньше термическое напряжение. Недостатками масла, как охладителя, при закалке являются образование пригара на поверхности изделия, потеря с течением времени закаливающей способности (загустевшее масло требует замены), легкая возгораемость.

Отпуск - операция термической обработки, связанная с нагревом закаленной стали ниже температуры фазовых превращений, выдержкой и охлаждением. Цель отпуска - снижение или снятие внутреннего напряжения, возникшего при закалке стали, и получение структуры с заданными свойствами (прочностью, твердостью, упругостью, вязкостью и пластичностью).

Закалка и отпуск неразделимы. Отпуск необходимо проводить непосредственно после закалки, так как закалочное напряжение через некоторое время может вызвать появление трещин. Кроме того, остаточный аустенит стабилизируется, его устойчивость к отпуску повышается.

Температура отпуска - самый существенный фактор, который влияет на свойства закаленной стали. Твердость и прочность с повышением температуры отпуска снижаются, а пластичность и вязкость повышаются.

В легированных сталях все процессы отпуска происходят, как правило, в области более высоких температур, так как легирующие элементы замедляют диффузионные процессы.

Назначаем следующий режим термообработки:

Закалка от температуры 860…880 (С, охлаждение в масле. Структура стали после закалки - легированный мартенсит закалки. Твердость стали HRC 53…58. После закалки сталь подвергают отпуску при температуре 400 (С. Структура стали после отпуска - легированный мартенсит отпуска, твердость стали НВ 400…450.

5. Что такое композиционные материалы? Опишите их свойства и применение.
Композиционный материал (КМ), композит - искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними и с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) - компонент, обладающий непрерывностью по всему объему, и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители) - компонент прерывный, разделенный в объеме композиции. Матричными материалами могут быть металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества. Усиливающими или армирующими компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы.

В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т.д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.

Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связей между ними. Характеристики создаваемого изделия, как и его свойства, зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения.

Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений.

В композиционных материалах с нуль-мерным наполнителем наибольшее распространение получила металлическая матрица. Композиции на металлической основе упрочняются равномерно распределенными дисперсными частицами различной дисперсности. Такие материалы отличаются изотропностью свойств.

В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные частицы наполнителя препятствуют развитию пластической деформации. Эффективное упрочнение достигается при содержании 5…10 % частиц наполнителя.

Армирующими наполнителями служат частицы тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов.

Дисперсионно упрочненные композиционные материалы получают методами порошковой металлургии или вводят частицы армирующего порошка в жидкий расплав металла или сплава.

Промышленное применение нашли композиционные материалы на основе алюминия, упрочненные частицами оксида алюминия (Al₂O₃). Их получают прессованием алюминиевой пудры с последующим спеканием (САП). Преимущества САП проявляются при температурах выше 300^oС, когда алюминиевые сплавы разупрочняются. Дисперсионно упрочненные сплавы сохраняют эффект упрочнения до температуры 0,8 Т_пл.

Сплавы САП удовлетворительно деформируются, легко обрабатываются резанием, свариваются аргонодуговой и контактной сваркой. Из САП выпускают полуфабрикаты в виде листов, профилей, труб, фольги. Из них изготавливают лопатки компрессоров, вентиляторов и турбин, поршневые штоки.

В композиционных материалах с одномерными наполнителями упрочнителями являются одномерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон, проволоки, которые скрепляются матрицей в единый монолит. Важно, чтобы прочные волокна были равномерно распределены в пластичной матрице. Для армирования композиционных материалов используют непрерывные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до сотен микрометров.

Материалы, армированные нитевидными монокристаллами, были созданы в начале семидесятых годов для авиационных и космических конструкций. Основным способом выращивания нитевидных кристаллов является выращивание их из перенасыщенного пара (ПК-процесс). Для производства особо высокопрочных нитевидных кристаллов оксидов и других соединений осуществляется рост по П-Ж-К – механизму: направленный рост кристаллов происходит из парообразного состояния через промежуточную жидкую фазу. Осуществляется создание нитевидных кристаллов вытягиванием жидкости через фильеры. Прочность кристаллов зависит от сечения и гладкости поверхности.

Композиционные материалы этого типа перспективны как высокожаропрочные материалы. Для увеличения к.п.д. тепловых машин лопатки газовых турбин изготавливают из никелевых сплавов, армированных нитями сапфира (Al₂O₃), это позволяет значительно повысить температуру на входе в турбину (предел прочности сапфировых кристаллов при температуре 1680^oС выше 700 МПа).

Армирование сопл ракет из порошков вольфрама и молибдена производят кристаллами сапфира, как в виде войлока, так и отдельных волокон, в результате этого удалось удвоить прочность материала при температуре 1650 ^oС. Армирование пропиточного полимера стеклотекстолитов нитевидными волокнами увеличивает их прочность. Армирование литого металла снижает его хрупкость в конструкциях. Перспективно упрочнение стекла неориентированными нитевидными кристаллами.

Для армирования композиционных материалов применяют металлическую проволоку из разных металлов: стали разного состава, вольфрама, ниобия, титана, магния – в зависимости от условий работы. Стальная проволока перерабатывается в тканые сетки, которые используются для получения композиционных материалов с ориентацией арматуры в двух направлениях.

Для армирования легких металлов применяются волокна бора, карбида кремния. Особенно ценными свойствами обладают углеродистые волокна, их применяют для армирования металлических, керамических и полимерных композиционных материалов.

Эвтектические композиционные материалы – сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. В отличие от обычных композиционных материалов, эвтектические получают за одну операцию. Направленная ориентированная структура может быть получена на уже готовых изделиях. Форма образующихся кристаллов может быть в виде волокон или пластин. Способами направленной кристаллизации получают композиционные материалы на основе алюминия, магния, меди, кобальта, титана, ниобия и других элементов, поэтому они используются в широком интервале температур.

Полимерные композиционные материалы. Особенностью является то, что матрицу образуют различные полимеры, служащие связующими для арматуры, которая может быть в виде волокон, ткани, пленок, стеклотекстолита. Формирование полимерных композиционных материалов осуществляется прессованием, литьем под давлением, экструзией, напылением.

Широкое применение находят смешанные полимерные композиционные материалы, куда входят металлические и полимерные составляющие, которые дополняют друг друга по свойствам. Например, подшипники, работающие в условиях сухого трения, изготовляют из комбинации фторопласта и бронзы, что обеспечивает самосмазываемость и отсутствие ползучести.

Созданы материалы на основе полиэтилена, полистирола с наполнителями в виде асбеста и других волокон, обладающие высокими прочностью и жесткостью.