материаловедение. Материаловеедение Мехряков. До точки 1 сплав находится в жидком состоянии
 Скачать 0.89 Mb.
|
 Начертите диаграмму состояния железо – цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и определите критические точки сплава, содержащего 4,3 % углерода. Какова равновесная структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?До точки 1 сплав находится в жидком состоянии. В точке 1 которая находится на трех линиях ACD ликвидус (начало процесса кристаллизации), AECF солидус (окончание процесса кристаллизации) и ECF (эвтектическая линия) происходит одномоментный процесс кристаллизации, в следствии чего образуется ледебурит – эвтектическая механическая смесь двух фаз аустенита и цементита, образующаяся из жидкого расплава. Между точками 1 и 2 идет охлаждение ледебурита. В точке 2 находящейся на линии PSK - эвектоидная линия, происходит вторичная кристаллизация ледебурита. Аустенит в ледебурите распадается, образуя собой перлит. Ниже точки два ледебурит состоит из перлита и цементита вторичного. При комнатной температуре сплав - белый чугун с содержанием углерода 4,3 % со структурой ледебурита - эвтектический чугун. Критические точки сплава: 1 – температура Ликвидус (линия AВCD) – при охлаждении начинается процесс кристаллизации, из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита; 2 – температура Солидус (линия AECF ) – при охлаждении заканчивается кристаллизация аустенита; 3 – температура 1147 (линия ECF) – эвтектическое превращение; 4 – критическая точка А1 (линия PSK) – превращение (распад) оставшегося аустенита в перлит – эвтектоидное превращение; +5 – (на диаграмме не обозначена) – магнитное превращение цементита – 2100С 2. Определите металлургическое качество, назначение, а также среднее содержание углерода и легирующих элементов в следующих сталях: 15ХМ; сталь 40; 8Х3; Х12. Определите среднее содержание углерода и легирующих элементов по заданной марке стали (EU): 60S20; 27CrAl6; X8CrMoTi17. Приведите маркировку этих же сталей по стандартам России. 15ХМ – качественная, конструкционная, легированная сталь. С содержанием углерода 0,15%, хрома – 1%, молибдена – 1%. 40 – качественная, конструкционная, углеродистая сталь. С содержанием углерода 0,4%. 8Х3 - качественная, инструментальная, легированная сталь. С содержанием углерода 0,8%, хрома – 3%. Х12 - качественная, инструментальная, легированная сталь. С содержанием углерода до 1%, хрома – 12%. 60S20 – среднее содержание углерода 0,6%, серы 0,2. Аналог А60 (автоматная сталь) 27CrAl6 – среднее содержание углерода 0,27%, хрома – 1%, молибдена – 0,6%. Аналог – 25ХГМ. X8CrMoTi17 – среднее содержание углерода 0,08%, хрома -17, содержание молибдена и титана намного меньше, поэтому в марке не указано. Аналог – 08Х17МТ 3. Дайте сравнительную характеристику структур, получаемых при диффузионном распаде аустенита во время охлаждения: перлита, сорбита и троостита.
4. С помощью диаграммы состояния железо – цементит установите температуру полной и неполной закалки для стали 55, опишите ее структуру и свойства после каждого вида термической обработки.  Ac1 = 725 , Ac3(Acm) = 755 , Ar3(Arcm) = 750 , Ar1 = 690 , Mn = 320 Закалка (с равномерным и полным мартенситным превращением по всему объему металла) и среднего отпуска при 400–500°С (в зависимости от стали). Сталь доэвтектоидная, поэтому требуется проводить полную закалку от температуры Ас3 + 30-500С = 785-8050С. Охлаждающая среда – вода (достижение критической скорости). В соответствие с ГОСТ 1050 – 88 назначаем температуру отпуска 4000С на воздухе. Структура стали после отпуска – троостит или нижний бейнит со следующими механическими свойствами: σ0,2 = 1100-1380 МПа, σв = 1260-1590 МПа, δ = 4-5%, ψ = 31-36% КCU 19-49 Дж/м2, HRC 47 При нагреве доэвтектоидной стали марки 55 до температур AC1 — АC3 (725-7550С) в структуре мартенсита сохраняется некоторое количество оставшегося после закалки феррита, снижающего твердость закаленной стали. Свойства стали: σв = 740-1080 МПа, δ = 13%, ψ = 35%. 5. Измерительный инструмент требуется обработать на максимальную твердость. Для его изготовления выбрана сталь 8Х3. Назначьте и изобразите графически режим термической обработки, опишите принцип легирования, структуру и свойства стали. Режим термической обработки: Закалка 870oC, масло, Отпуск 500oC, 2ч.  Элементы, содержание которых превышает обычное предельное значение, указанное в стандартах, называются легирующими добавками. Изменение химического состава металла путем введения легирующих добавок называется легированием стали. Исходя из вышесказанного следует, что легирование стали – это металлургический процесс плавки, в ходе которого в него вводятся различные добавки. Добавление легирующих элементов производится объемным способом– компоненты проникают в глубинную структуру материала путем их добавления в шихту или расплав. Структура стали – перлит. Свойства стали: σв = 1340 МПа, σ0,2 = 1270 МПа, δ = 8%, ψ = 25%, KCU=340 кДж/м2 6. Назначьте режим термической и химико-термической обработки шестерни из стали 20Х на твердость зуба 58–62 HRC. Опишите суть происходящих превращений, микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины зуба после окончательной обработки. Сталь 20Х используется для изготовления малонагруженных шестерен высокой твердостью поверхности, где допускается невысокая прочность сердцевины, т. е. шестерни, работающей в условиях обычного износа и удара. Для получения необходимого комплекса эксплуатационных свойств (высокая износостойкость поверхности при достаточно высокой усталостно-изгибочной прочности зуба) сталь 20 подвергают цементации на глубину 0,8-1,2 мм, закалке и последующему низкому отпуску. Назначение цементации и последующей термической обработки - придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость. Эти свойства достигаются обогащением поверхностного слоя стали углеродом концентрации и последующей термической обработкой, сообщающей поверхностному слою стальных изделий структуру мартенсита или мартенсита с карбидами и небольшим количеством остаточного аустенита. Термическая обработка заключается в газовой цементации при температуре 920-9500С на глубину 0,8-1,2 мм, продолжительность выдержки 8-10 часов. Механизированное термическое оборудование и автоматическая система контроля и регулирования углеродного потенциала в печи цементации позволяет на поверхности цементуемого слоя получить эвтектоидное насыщение углеродом. Структура слоя при температуре насыщения - аустенит, после медленного охлаждения в атмосфере агрегата от поверхности к сердцевине - перлит + феррит. Структура сердцевины при температуре насыщения - аустенит, после медленного охлаждения - феррит + перлит. Для гарантированного получения мелкоигольчатого мартенсита детали после цементации охлаждают до температуры ниже температуры 6000С, а затем нагревают под закалку до температуры 800-8200С. Температуру нагрева под закалку выбирают для цементованного слоя. Температура AC3 для данной стали составляет 8500С. Закалку для стали 20Х производят в воде. Охлаждение в воде заготовок шестерен обеспечивает скорость охлаждения цементованного слоя выше критической. Структура поверхностного слоя после закалки - мартенсит, структура сердцевины - сорбит перлит + феррит. Низкий отпуск проводим при температуре 180-1900С, выдерживая 2 - 2,5 ч, необходимых для прогрева детали по всему сечению и прохождения процессов снятия внутренних напряжений. Более высокие температуры применять не следует, так как это приводит к снижению твердости, статической и усталостной прочности, износостойкости цементовано-закаленных изделий. Атмосфера в печи при проведении низкого отпуска - воздух. Охлаждение после отпуска на воздухе. Структура поверхностного слоя - отпущенный мартенсит, структура сердцевины - низкоуглеродистый сорбит перлит + феррит. Твердость поверхности готового изделия 58-62 HRC. Механические свойства в сердцевине готового изделия: σ0,2=370 МПа, σв =550 МПа, δ = 18%, ψ = 45%. 7. Опишите состав и свойства стекловолокнитов и стеклотекстолитов. Укажите область их применения в машиностроении. Стекловолокниты – фенопласты, содержащие в качестве наполнителя стеклянное волокно. Стеклянное волокно обусловливает в основном высокие физико-механические показатели стекловолокнитов. Диэлектрические свойства и химическая стойкость определяются главным образом природой полимерного связующего. В качестве связующих в стекловолокнитах применяют фенолоформальдегидные олигомеры резольного типа, которые могут быть совмещены с другими полимерами. Технологический процесс производства стекловолокнитов состоит из пропитки и сушки стеклянного волокна. Содержание связующего в готовом стекловолокните 28—32%, содержание летучих соединений 2—5%. Стекловолокниты обладают исключительно высокими удельной прочностью(прочность, отнесенная к плотности) и жесткостью, хорошо противостоят вибрационным и знакопеременным нагрузкам. Они отличаются хорошими диэлектрическими и теплоизоляционными свойствами, которые сочетаются с высокой стойкостью к различным химическим реагентам, к воздействию микроорганизмов и коррозии. Свойства стекловолокнитов во многом зависят от применяемого наполнителя. Использование щелочных (известково-натриевых) стекол для производства стеклянного волокна дает возможность получать материалы с высокой кислотостойкостью, применение слабощелочных (боросиликатных) стекол — материалы с более высокими диэлектрическими показателями и водостойкостью. Существенную роль играет толщина волокна: чем тоньше стеклянное волокно, тем выше прочность на изгиб, но ниже ударная вязкость. Физико-механические показатели изделий из стекловолокнитов приведены ниже:
Стекловолокниты с улучшенными механическими показателями (разрушающее напряжение при растяжении до 700 МПа, ударная вязкость свыше 300 кДж/м2) могут быть получены при использовании в качестве связующих фенолофурфуролоформальдегидных олигомеров. Высокие физико-механические показатели имеют стекловолокниты, в которых связующим являются фенолоформальдегидные резолы, совмещенные с поливинилбутиралем. Улучшенные диэлектрические свойства имеют стекловолокниты на основе фенолоанилиноформальдегидных связующих. Стекловолокниты перерабатывают в изделия методами компрессионного и литьевого прессования. Стеклотекстолит листовой – материал из конструкционной группы, который представляет собой модификацию текстолита (этот материал получил широкое применение в машиностроительной области, при производстве подшипников скольжения, а также в радио- и электротехнике благодаря своим электроизоляционным свойствам). Стеклотекстолит – что это такое? Рассматриваемый материал имеет структуру слоеного пластика, волокна которого чередуются с полимерным связующим веществом. В качестве полимера зачастую используют следующие вещества: бакелиту; эпоксидную смолу; полиэфирную смолу. Основой стеклотекстолита является стеклоткань. Это вещество обладает хорошими эксплуатационными качествами и благодаря ему стеклотекстолит имеет лучшие свойства, чем текстолит: термостойкость выше на 50 °C, удельное сопротивление выше на 104 Ом•м, тангенс угла потерь ниже на 0,05. Именно поэтому стеклотекстолит листовой используется и при производстве печатных плат. Классификация материала Использование различных производственных технологий привело к появлению нескольких марок рассматриваемого материала. При этом все марки стеклотекстолита обладают определенными свойствами, которые рассмотрим более подробно на примере материала под маркировкой СТЭФ и СТЭФ-1. СТЭФ – слоистый, листовой, материал с хорошими электроизоляционными свойствами, который получил широкое применение в сфере производства электрооборудования и электротехники. СТЭФ-1 – материал производят аналогичным способом, что и СТЭФ. Отличительной особенностью данного варианта исполнения является то, что при его производстве используют очень мелкоячеистую стеклоткань. Подобное изменение позволяет делать структуру материала более крепкой. Стеклотекстолит листовой СТЭФ-1 используют в том случае, если предусматривается проведение механообработки для создания небольших предметов. Стеклотекстолит КАСТ-В производят при использовании в качестве основы ВФБ-1 и некоторые стабилизирующие добавки. К его положительным качествам можно отнести следующее: повышенная прочность, отсутствие токсичных веществ в составе, высокий показатель сопротивления огню. При условии окружающей температуры до 250 °C может работать на протяжении длительного промежутка времени, а при температуре 750 °C может использоваться только кратковременно. Применяется при производстве электродных печей, машин для создания химических волокон, при изготовлении комплектующего для электротехнического и радиотехнического оборудования. В некоторых случаях проводится добавление фольги: ТС-ЭТФ, ТСЭФ – трубки, которые могут быть изготовлены при использовании только модифицированного стеклотекстолита. В зависимости от дальнейшего использования производители текстолита проводят следующую маркировку материала на основе стекловолокна: СТЭФ; СТЭФ-1; СТЭФ-У; СТЭФ-П; СТЭФ-ПУ; СТЭБ; СТТ; СТ-ЭТФ; КАСТ-В; 3240 (маркировка подобным образом проводится в Китае); 3240-1. Каждый материал обладает своими особенными эксплуатационными свойствами. Основные характеристики материала Каждая разновидность стеклотекстолита получила особую маркировку из-за определенных характеристик, которые влияют на особенности обработки, использования, на срок службы и многое другое. Плотность является одним из основных критериев классификации. Повышение показателя плотности делает структуру более однородной. Это позволяет проводить более качественную механическую обработку. Также показатель оказывает влияние на прочность материала. Разрушающее напряжение при изгибе – следующий показатель, по которым происходит классификация материала. Стеклотекстолит, характеристики которого по показателю напряжения при изгибе находятся в пределах 350 Мпа, получил более широкое распространение. Рассматриваемый показатель достаточно важен при создании деталей большой длины. Показатель разрушающего напряжения при растяжении также является важным показателем и измеряется в Мпа. Кроме вышеперечисленных характеристик можно отметить следующие показатели, которые также относятся к наиболее значимым: ударная вязкость параллельно слоям; удельное объемное электрическое сопротивление; пробивное напряжение; изоляционное сопротивление после завершения этапа кондиционирования. Как можно заметить, основные характеристики можно поделить на две группы: сопротивление механическому и электрическому воздействию. Все разновидности материала обладают высокой стойкостью к действию агрессивных сред, влаге, а также высоким сроком работы, хорошими диэлектрическими качествами, недоступными для стеклопластика. |
