Материаловедение. ВАРИАНТ 22 СДАЧА 25.03. Контрольная работа дисциплина Материаловедение

• Название: Контрольная работа дисциплина Материаловедение
• Анкор: Материаловедение
• Дата: 19.06.2022
• Размер: 59.32 Kb.
• Имя файла: ВАРИАНТ 22 СДАЧА 25.03.docx
• Тип: Контрольная работа; #604532

Приложение А

БУ ВО «СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

----------------------------------------------------------------------------------------------

Институт естественных и технических наук

Кафедра безопасности жизнедеятельности

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Дисциплина: «Материаловедение»

Вариант

Выполнил: студент ___ гр. ____курса

ФИО_______________________


Преподаватель: д.п.н., доцент

Горшкова О.О.

СУРГУТ, 2020

Содержание

1.Общие теоретические сведения по вопросам контрольной работы с.3-9

1.1.Задание № 3. Стали и сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения с.3-6

1.2.Задание №5. Стали и сплавы с высоким электрическим сопротивлением для нагревательных элементов с.7-9

2.Маркировка металлов и сплавов с.10-16

2.1. Сталь 09Х16Н4Б с.10

2.2. Сталь Ст3Гсп с.11-12

2.3. Сплав ЛЦ23А6Ж3Мц2 с. 13-14

2.4. Сплав Д16 с.15-16

Использованная литература с.17

Основная часть

1. 
   Общие теоретические сведения по вопросам контрольной работы
   

1. 
   Задание № 3. Стали и сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения
   

Стали и сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения (ГОСТ 10994-74) предназначены для впаивания изделий на их основе в стеклянные и керамические корпуса вакуумных приборов[ 5, 182].

Такие сплавы называют прецизионными сплавами. Изготовление таких сплавов (кроме трансформаторного металла) в незначительных количествах способами, похожими на изготрвление сплава лабораторными методами.

Зависимость расширения металоа от температуры нагрева носит криволинейный характер (рис.1) (Гуляев, с. 454)



Рис.1. Кривая расширения сплава при повышении температуры

Введение в металл второго компонента вызывает изменение коэффициента линейного расширения, при этом: а) если компоненты образуют твердый раствор, то коэффициент линейного расширения изменяется по криволинейной зависимости, но внутри пределов, ограниченных значениями коэффициентов линейного расширения чистых металлов.

Легируя железо разным количеством никеля, можно получить сплавы с различными коэффициентами линейного расширения[1, 454-455].

Химический состав этих сплавов базируется на системе Fe + Ni + Co с небольшим количеством меди. Точный состав каждого сплава устанавливается для конкретного вида стекла или керамики, используемых в изделиях, из условия равенства их температурных коэффициентов линейного расширения.

Например, сплав 29НК (29% Ni, 18%Co, остальное – Fe) с α = (4,6…5,5).10^{-6 0}С^-1, называемый коваром, предназначен для вакуумных впаев в молибденовые стекла[5,182].

Сплав с 48% Ni имеет коэффициент линейного расширения, равный 9.10^-6, т.е.такой же, как у обычного стекла и платины. Этот сплав получил название платинита и его применяют для пайки металла со стеклом[1,456].

Для изготовления деталей, спаиваемых со стеклом (например, в телевизионных кинескопах), применяют более дешевые форритные железохромистые сплавы 18ХТФ и 18ХМТФ, имеющие α = 8,7.10^{-6 0}С^-1.

Особое место занимают сплавы с малым коэффициентом линейного расширения, существенно не меняющимся в высокотемпературной области. Эти сплавы предназначены для изготовления деталей измерительных приборов и технических средств.

Промышленное значение имеет сплав инвар (неиэменный) на базе железа и никеля (36%) с небольшим количеством углерода (0,05%). Для этого сплава α = (1…1,5).10^{-6 0}С^-1, причем изменение величины коэффициента при температурах 600…700⁰С происходит очень плавно за счет ферромагнитного эффекта. Эти сплавы используют для изготовления деталей, впаиваемых в неорганические диэлектрики – стекло, керамику, слюду и др.[5,182].

Однако, надо иметь в виду, что малый коэффициент линейного расширения инвара сохраняется только в интервале от -80 до +100⁰С. Выше и ниже этого интервала коэффициент расширения инвара резко возрастает.

Сплав с 42% Ni отличается тем, что имеет постоянный коэффициент линейного расширения (около 7,5 . 10^-6) в интервале от 20 до 200⁰С; за пределами этого интервала его коэффициент возрастает, т.е сплав расширяется более интенсивно.

Таким образом, можно сделать вывод, что для сплавов системы Fe-Ni существует интервал температур, в пределах которого коэффициент линейного расширения остается постоянным. Верхняя температура этого интервала тем выше, чем больше в сплаве содержится никеля.

Для инвара характерна некоторая нестабильность размеров во времени: вначале, после изготовления детали, ее размеры уменьшаются, а потом растут.

В результате замены части никеля кобальтом получается сплав, так называемый суперинвар с еще меньшим коэффициентом теплового расширения, чем простой инвар[1,455-466].

2. 
   Задание №5. Стали и сплавы с высоким электрическим сопротивлением для нагревательных элементов
   

Стали и сплавы с высоким электросопротивлением (ГОСТ 10994-74) должны сочетать высокое сопротивление (1,06 – 1,47 мкОм.м, что более, чем в 10 раз выше, чем у низкоуглеродистой стали) и жаростойкость (1000…1350⁰С).

К технологическим свойствам таких сплавам предъявляются требования высокой пластичности, обеспечивающей хорошую деформируемость на прутки, полосу, проволоку и ленты, в том числе малых сечений, а к потребительским – малой величины температурного коэффициента линейного расширения..

Для этих сплавов используются системы Fe+Cr+Al, Fe+Ni+Cr и Ni+Cr. Их микроструктуры представляют собой твердые растворы с высоким содержанием легирующего элемента. Чем больше в справам хрома и алюминия, тем выше их жаростойкость. Количество углерода в сплавах строго ограничивают (0,06…0,12%), так как появление карбидов снижает пластичность и сокращает срок эксплуатации изделий[5, 182].

В качестве материалов для термопар использую проволоку из платины (один электрод) и сплава платины с 10% родия. Температурный интервал работы термопары - от комнатной температуры до 1300-1400⁰С (кратковременно до 1800⁰С).

Для интервала более низкого (не выше 1000⁰С) применяют сплавы никеля с алюминием (2% Al, остальное Ni), так называемый алюмель и сплав никеля с хромом (10% Cr, остальное Ni), хромель[1,471].

Наибольшее распространение в технике получили сплавы ферритного класса: Х13Ю4 (февраль), 0Х23Ю5 (хромель) и 0Х27Ю5А. Эти сплавы малопластичные, поэтому изделия из них, особенно крупные, выполняют при подогреве до 200…300⁰С. Сопротивление ползучести ферритных сплавов невелико, и нагреватели при высоких температурах (1150…1200⁰С) нередко провисают под действием собственного веса [5,183].

Молибденовые нагреватели имеют рабочую температуру до 1450⁰С. однако из-за высокой химической активности молибдена они могут работать только в вакууме или в среде водорода.

В качестве реостатных сплавов в основном применяют сплавы Cu-Ni-Mn ( 40..45% Ni; 1…2% Mn; Cu –остальное). Марки справа: МНМц40-1,5 (константан); МНМц43-0,5 (копель). Эти сплавы имеют электросопротивление порядка 0,5 Ом.мм²/м, которое практически не зависит от температуры. предельная рабочая температура этих сплавов 500⁰С [4,404].

Также, для реостатных сплавов применяют медные сплавы – никелин (45%Ni), константан (40% Ni), манганин, являющиеся сплавами меди с никелем, цинком и марганцем.

Примесями (загрязнениями) в этих сплавах являются железо, кремний, свинец, сера, углерод, фосфор, мышьяк, предельное содержание которых строго регламентируется ГОСТом [1,470].

Высоким электросопротивлением обладают сплавы на основе никеля – Х20Н80 (нихромы)[1,183]. Они представляют собой сплавы никеля и хрома или никеля, хрома и железа с минимальным содержанием углерода и других элементов. Структура этих сплавов представляет собой твердый раствор этих элементов в никеле. Гомогенный твердый раствор не обладает высокой прочностью и жаропрочностью.

Сплавы этого типа не используют для нагруженных деталей, т.е. не применяют как жаропрочный материал, а используют как материал высокой жаростойкости, а также как материал высокой жаростойкости, а также как материал для электрических нагревательных элементов сопротивления [1,471].

Нихромы с железом называют ферронихромами, например сплав Х15Н60, содержащий 25% Fe. Ферронихромы обладают более высокими технологическими свойствами и дешевле, чем нихромы [5, 183].

Сплавы, содержащие невысокий процент хрома и алюминия и обладающие жаропрочностью примерно до 1100⁰С, изготавливают в виде проволоки; сплавы с высоким содержанием хрома и алюминия (мэгапир, сплав №2, сплав №3) с жаростойкостью до 1250-1350⁰С непластичны, из них изготавливают литые элементы сопротивления.

Если спаять два разнородных металла с одного конца, а два других конца присоединить к чувствительному вольтметру (гальванометра) и создать разность температур между сваренным концом (горячий спай) и концами, присоединенному к гальванометру, то возникает разность потенциалов, фиксируемая гальванометром, прямо пропорциональная разности температур [1,470].

Стали и сплавы с высоким электросопротивлением предназначены для изготовления деталей и элементов нагревательных приборов, реостатов, а также резисторов, терморезистором, тензодатчиков и др. [5.182-183].

2.Маркировка металлов и сплавов

Задание № 22. 09Х16Н4Б; Ст3Гсп; ЛЦ23А6Ж3Мц2; Д16

2.1. 09Х16Н4Б

Сталь 09Х16Н4Б - Сталь коррозионно-стойкая обыкновенная, мартенситного класса.

Расшифровка марки стали: 09 - 9% углерода, Х16 - 16% хрома, H4 - 4% никеля, Б — сталь гарантированного состава (подвергается горячей обработке). Данная сталь относится к классу высокохромистых (содержание хрома более 12%)

Термическая обработка: Отжиг при 620 - 640 °C, 4 - 8 часа , Охлаждение при 200 - 300 °C, печь.

Нагрев при 1140-1160 °С, выдержка 5-5.5 часов, охлаждение на воздухе, отпуск при 600-620°С, охлаждение на воздухе.

Закалка с 1030-1050 °С, охлаждение на воздухе или в масле, отпуск при 600-620 °С, охлаждение на воздухе.

Закалка с 970-980 °С, охлаждение на воздухе или в масле, отпуск при 300-370 °С, охлаждение на воздухе.

Рекомендуемая максимальная температура эксплуатации в течение весьма длительного времени +650 °C. Температура начала интенсивного окалинообразования в воздушной среде +850 °C.
Наибольшей коррозионной стойкостью обладает после закалки с низким отпуском (до +400 °С).

Сталь применяют для высокопрочных штампосварных сварных конструкции и деталей, работающих в агрессивных средах, для изготовления труб пароперегревателей и трубопроводов установок сверхвысокого давления, листовых, высокопрочных штампосварных и сварных конструкций и деталей, работающих в среднеагрессивных средах; колец цельнокатаных различного назначения; сварочной проволоки.
2.2. Ст3Гсп

Сталь Ст3Гсп – сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества №3, группы «А», спокойная., для строительных конструкций.

Химический состав в % материала Ст3Гсп

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	N	Cu	As
0.14 - 0.2	0.15 - 0.3	0.8 - 1.1	до   0.3	до   0.05	до   0.04	до   0.3	до   0.008	до   0.3	до   0.08

Буква «Г» присутствует в обозначении, если массовая доля марганца в стали превышает 0,8 %.

Так как сталь применяется для сварных конструкций, она должна обладать малой чувствительностью к термическому старению.

Механические свойства стали могут быть повышены, а порог хладноломкости понижен закалкой в воде с прокатного нагрева.

Закалку проводят сразу по выходе сортового проката из клетки прокатного стана.

Охлаждение осуществляют в специальных устройствах с форсунками – спрейерами, в которых вода подается под высоким давлением, что обеспечивает интенсивное охлаждение.

Сталь Ст3Гсп обладает малой устойчивостью переохлажденного аустенита (высокой критической скоростью закалки), поэтому после закалки мартенсит не образуется.

Вместе с тем, быстрое охлаждение вызывает сильное переохлаждение аустенита, что уменьшает количество свободного феррита и приводит к образованию тонкой ферритно-цементитной структуры (троостит, сорбит).

После закалки следует отпуск (чаще самоотпуск) за счет теплоты, сохранившейся при неполном охлаждении при закалке.
Сталь Ст3Гсп применяется: для производства балок двутавровых, швеллеров, угловой стали, используемых в производстве несущих элементов сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках при температурах от -20 °С до +425 °С; рельсов двухголовых, тавровых и типа Р5, предназначенных для наземных и подвесных путей; профиля стального формованного для горно-шахтного оборудования[3, 256-257].

2.3. ЛЦ23А6Ж3Мц2

Сплав ЛЦ23А6Ж3Мц2 - медно-цинковый сплав, латунь алюминиево-железо-марганцовая, литейная.

Медно-цинковые сплавы (латуни) маркируют буквой Л, Ц23 - указывает содержание цинка в латуни примерно 23%, А6 - указывает содержание алюминия около 6%, Ж3 - указывает содержание железа в латуни примерно 3%, Мц2 - указывает содержание марганца около 2%, остальное - медь.

Химический состав ЛЦ23А6Ж3Мц2

Процентное содержание элементов.

Si	Fe	Al	Cu	Pb	Sn	Zn	Sb	Ni	Mn
Кремний	Железо	Алюминий	Медь	Свинец	Олово	Цинк	сурьма	никель	марганец
до 0.3%	от 2%	от 4%	от 64%	до 0.7%	до 0.7%	от 16.2%	до 0.1%	до 1%	от 1.5%
	до 4%	до 7%	до 68%			до 28.5%			до 3%

В многокомпонентных латунях добавки Al, Sn, Ni, Mn, Fe и Si повышают прочность, твердость, коррозионную стойкость и литейные свойства сплава.

Свинец улучшает обрабатываемость резанием. Введение третьего компонента в двойные латуни изменяет их структуру и свойства.

Латуни обладают высокими технологическими свойствами и применяются в производстве различных мелких деталей, особенно там, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость.

Из них получают хорошие отливки, так как латунь обладают хорошей текучестью и малой склонностью к ликвации. Латуни легко поддаются пластической деформации - основное их количество идет на изготовление катанных полуфабрикатов - листов, полос, лент, проволоки и разных профилей.

Многокомпонентная литейная латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 отличается высокой стойкостью против износа при работе на трение и применяется для изготовления ответственных деталей, работающих при высоких удельных и знакопеременных нагрузках.

Из латуни ЛЦ23А6Ж3Мц2 изготовляют подшипники, втулки, вкладыши, нажимные винты, гайки нажимных винтов прокатных станов, венцы червячных колес, детали гидронасосов, детали для автомобильной промышленности.

Латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 также применяется для изготовления ответственных деталей, работающих при высоких удельных и знакопеременных нагрузках, при изгибе, а также антифрикционных деталей (нажимные винты, гайки нажимных винтов прокатных станов, венцы червячных колёс, втулки и др. детали)[3, 411-412].


2.4. Д16
Сплав Д16 - деформируемый алюминиевый сплав, дуралюмин. Относится к системе Аl - Cu - Mg - Mn .

Химический составв %:

Cu – 3,8 – 4,8; Mg – 1,2 – 1,8; Mn- 0,3 – 0,9; Si – 0,5.

Основной легирующий элемент –медь.

Данный сплав относится к сложным алюминиевым деформируемым сплавам нормальной прочности, упрочняемый термической обработкой системы Алюминий + Медь + Магний (дюралюмин). Бука «Д» обозначает название сплава – дюралюмин, число обозначает номер сплава.

Химический сплав сплава: Cu – 3,8…4,9 % ; 1,2…1,8 % Mg; 0,3…0,9 % Mn; Si≤0,5 %.

В качестве легирующих добавок используют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стойкость и эффект старения сплава.

Дюралюмины характеризуютя высокой прочностью, достаточной твердостью и вязкостью.

Механические свойства при растяжении плит (от 11 до 25 мм/св. 25 до 40 мм):

σ_в = 420/390 Мпа;

σ_0,2 = 275/255 МПа

δ = 7/5 %

Дюралюмины имеют пониженную коррозионную стойкость, для повышения которой в состав вводится Mn. Для этой же цели производится плакирование листового дюралюминия чистым алюминием. Старение дюралюминов достигается образованием более сложных фаз типа Al₂CuMg (S-фаза), Al₂Mg₃Zn₃ (Т-фаза) и др.

Дюралюмины обычно подвергают закалке (температура закалки (500±5)⁰С и естественному старению, которому предшествует 2…3 часовой инкубационный период. В течение этого времени сплав сохраняет высокую пластичность. Максимальная прочность достигается после 4…5 суток старения.

Температура рекристаллизации некоторых алюминиевых сплавов выше температуры их закалки. Поэтому упрочнение таких сплавов дополнительно к эффекту от старения создается увеличением плотности дислокации в процессе производства полуфабрикатов (пруток, полоса, лист и т.д.) обработкой давлением. Такое упрочнение называется прессэффектом.

Сплав Д16 применяется для изготовления шпангоутов, стрингеров и лонжеров самолетов, обшивки клепаных конструкций, длительно работающих при температуре 80⁰С, ограниченное время при 150⁰С, несущих строительных конструкций, корпусов судов, обшивки автофургонов и автобусов. [3, 385-386]

Список литературы

1. 
   Гуляев А.П. Металловедение. – М.: «Металлургия», 2006 – 544 с.
   
2. 
   Лахтин Ю.М. Материаловедение. – М.: «Машиностроение», 1993. – 448 с.
   
3. 
   Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: «Машиностроение», 2000. – 527 с.
   
4. 
   Мартинсен А.Г., Медведева Л.В. Основы экологических знаний. Учебное пособие. М.: «Экология», 2007. – 306 с.
   
5. 
   Ржевская С.В. Материаловедение. Учебник. М.: «Логос», 2006 – 424 с.
   
6. 
   Металловедение и технология металлов. Под научной редакцией докт. техн. наук, проф. Ю.П. Солнцева. М.: «Металлургия», 2008 – 512 с.
   

Технология металлов и конструкционные материалы. Под общей редакцией проф. Б.А. Кузьмина. М.: «Машиностроение», 2009 – 496 с.