Файл: Рузаевский институт машиностроения (филиал).pdf

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. П. ОГАРЁВА»
(ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. ОГАРЁВА»)
Рузаевский институт машиностроения (филиал)
Кафедра конструкторско-технологической информатики
РАСЧЁТНО – ГРАФИЧЕСКИЕ РАБОТЫ по дисциплине: Современные материалы в машиностроении
Автор отчёта расчетно-графической работы 06.12.2022
Чаликов
К.К. подпись, дата
Обозначение расчетно-графической работы РГР-02069964-15.04.05- 55 -22
Направление подготовки
15.04.05
Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств
Руководитель работы канд. техн. наук, доц. ___________________ А. П. Мартышкин подпись, дата
Рузаевка 2022
Wondershare
PDFelement

Контрольная работа №1
Материаловедение как наука о природе согласно точности экспериментальных результатов и глубине идей включает в себя знания физики, химии, биологии. Вследствие интеграции наук и установления связи между ними материаловедение сформировалось как самостоятельная наука.
Развитие кристаллографии и кристаллохимии, а затем структурного анализа и представлений о реальной структуре материалов повлияло на развитие материаловедения как системы упорядоченных знаний. Каждая из этих наук как подсистема материаловедения представляет свою развивающуюся систему знаний со своей конкретной концепцией, а само материаловедение, естественно, выступает подсистемой в естествознании.
Материаловедение является наукой, которая представляет единую систему знаний с обобщениями и классификацией, способную предсказать не только цепь преобразования веществ при тех или иных воздействиях на них, но и свойства вновь получаемых веществ и материалов.
Потребность техники в прочных материалах тесно связана с химией и физикой. Свойства материалов напрямую зависят от взаимодействия между атомами, формирующими пространственную структуру, от размера зерен
(микрокристаллов), составляющих материал, а также от процессов на границах зерен при технологическом изготовлении материалов.
Сегодня достигнуты границы прочности материалов при величине зерен 5–10 нм, т.е. при значениях энергии объема зерна, близких к значениям энергии на его поверхности, и активно изучается взаимодействие и влияние наноразмерных частиц. Современное материаловедение требует знаний о веществе и материалах на уровне атомов и взаимодействия между ними.
Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
2
РГР-02069964-15.03.05-35-22
Разраб.
Мокаичева С.И.
Провер.
МартышкинА.П
Реценз.
Н. Контр.
Утверд.
Расчетно-графические
Работы по Современным материалам в машиностроении
Лит.
Листов
РИМ, каф. КТИ, ОЗФО, 102
Wondershare
PDFelement

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
3
РГР – 02069964 – 15.04.05 –55–22
Задание 1
Дать определение или краткое описание следующих понятий и ответить на поставленные вопросы.
А5 Формы кристаллических образований и строение слитка.
Полиморфные превращения в приложении к железу и другим металлам.
В зависимости от скорости охлаждения, наличия примесей и других факторов, образующиеся кристаллы имеют различную форму. При образовании кристаллов их развитие идет в направлении, перпендикулярном к плоскостям с максимальной плотностью упаковки атомов.
Первоначально образуются длинные ветви (оси I порядка). Одновременно с удлинением образующихся осей на их ребрах зарождаются и растут перпендикулярные к ним оси II порядка, на которых в свою очередь возникают оси III порядка и т.д. В итоге образуются разветвленные
(древовидные кристаллы) - дендриты (рисунок 1,а). Правильная форма дендритов искажается в результате столкновения и срастания частиц на поздних стадиях процесса.
В процессе затвердевания слитка кристаллизация начинается у поверхности формы в тонком слое сильно переохлажденной жидкости.
Ввиду большой скорости охлаждения на поверхности слитка образуется узкая зона I мелких равноосных кристаллов (рисунок 1,б). За зоной I в толще слитка расположена зона II удлиненных дендритных кристаллов (зона транскристаллизации). Рост этих кристаллов происходит в направлении отвода теплоты, т.е. по нормали к стенкам изложницы и они могут заполнить весь объем слитка. Иногда, например, при медленном охлаждении крупных отливок, имеет место зона III, состоящая их различно ориентированных дендритов. В той части слитка, которая застывает в последнюю очередь образуется усадочная раковина.
Wondershare
PDFelement

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
4
РГР – 02069964 – 15.04.05 –55–22
Рисунок 1 - Схема образования дендрита (а) и строения слитка (б).
Многие металлы в зависимости от температуры могут иметь различные типы кристаллических решеток. Так, например, железо до
910°C имеет ОЦК решетку, а от 910°C до 1392°C - ГЦК решетку.
Это явление называется полиморфизм. Полиморфные модификации обозначают
α, β, γ, δ и т.д. Известны полиморфные превращения: и др. Эти превращения связаны с уменьшением внутренней энергии. В результате полиморфного превращения образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму, а также скачкообразно изменяются все свойства металлов и сплавов.
Б5
Опишите диаграмму состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (I рода).
Общий вид диаграммы состояния для сплавов образующих механические смеси из чистых компонентов (I рода) показан на рисунке .








Mn
Mn
Mn
Mn
Fe
Fe
T
T
i
i





;
;
Wondershare
PDFelement

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
5
РГР – 02069964 – 15.04.05 –55–22
Оба компонента (вещества A и B; k = 2) в твердом состоянии нерастворимы и не образуют химических соединений.
Фазы: жидкость, кристаллы A и кристаллы B (max f = 3).
Линия ACB является линией ликвидус (начало кристаллизации), линия DCE - линией солидус (конец кристаллизации). На линии AC при охлаждении начинают выделяться кристаллы A, а на линии CB - кристаллы
B. На линии DCE из жидкости концентрации C одновременно выделяются кристаллы A и B.
Рисунок 2 - Диаграмма состояния сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (I,II,III - соответственно доэвтектический, эвтектический и заэвтектический сплавы).
Механическая смесь двух или более видов кристаллов, одновременно кристаллизовавшихся из жидкости, называется эвтектикой. На рисунке изображены кривые охлаждения сплавов, отмеченных на диаграмме состояния, на которых обозначены характерные участки кристаллизации. На том же рисунке показаны схемы структур в отдельные моменты охлаждения сплавов.
При охлаждении сплава I участок 0-1 соответствует охлаждению жидкого сплава. Число степеней свободы c = 2-1+1 = 2. На участке 1-2 происходит выделение кристаллов А из жидкости (с = 2-2+1 = 1). При
Wondershare
PDFelement

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
6
РГР – 02069964 – 15.04.05 –55–22 охлаждении сплава III на участке 1-2 аналогично выделяются кристаллы В.
При охлаждении любого сплава до темпратуры, соответствующей линии DCE происходит завершение кристаллизации по эвтектической реакции
L → A+B, т.е. когда из жидкости одновременно образуется два вида кристаллов.
Рисунок 3 - Кривые охлаждения сплавов: а - доэвтектического; б - эвтектического; в - заэвтектического.
Кристаллизация эвтектики протекает при постоянной температуре, что на кривых охлаждения выражается горизонтальной линией 2-2'. При этом в соответствии с правилом фаз число степеней свободы c=0, т.е. система нонвариантна. Когда одна из фаз (жидкость) пропадет, число степеней свободы станет равно единице, будет происходить охлаждение закристаллизовавшегося сплава (участок 2'-3).
Wondershare
PDFelement

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
7
РГР – 02069964 – 15.04.05 –55–22
Задание 2
Вычертить диаграмму состояний железо - карбид железа.
А5 Указать структурные составляющие во всех областях диаграммы и дать их определение. Описать превращения и построить кривую охлаждения
(с применением правила фаз) заданного сплава. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется.
Диаграмма состояния изображена на рисунке 1.
Структурными составляющими являются: аустенит – твердый раствор углерода и примесей в γ – железе Fe
γ
(C); цементит – химическое соединение железа с углеродом Fe
3
C; феррит – твердый раствор углерода в α – железе Fe
α;
ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита (Fe
γ
(C) + Fe
3
C); перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита (Fe
α
+ Fe
3
C).
Кривая охлаждения заданного сплава содержавшего 0,5% C показана на рисунке 2. При охлаждении сплав испытывает следующие превращения.
Выше t
1
= 1520
°
C сплав находиться в жидком состоянии. По правилу фаз число степеней свободы: C=k-f+1=2-1+1=2
Ниже t
1
из жидкости образуются кристаллы феррита: С=2-2+1=1.
При t
2
= 1499
°
C жидкость реагирует с выделившемся ферритом и образуется аустенит по перитектической реакции: Ж + Ф→А; t = const. Число степеней свободы: C=2-3=1=0.
По завершении реакции из оставшейся жидкости образуется аустенит:
С=1. Ниже t
3
= 1470
°
C до t
4
= 830
°
C сплав однофазен, состоит из аустенита:
C=k-f+1=2-1+1=1.
В интервале от t
4
= 830
°
C до t
5
= 727
°
C из аустенита образуется феррит:
C=1. При t
5
= 727
°
C оставшийся аустенит превращается в эвтоктоидную смесь феррита и цементита – перлит по эвтектоидной реакции: А→Ф+Ц; t=const;
C=0. Ниже t
5
= 725
°
C из феррита выделяется незначительное количество цементита: C=1. Окончательное охлажденный сплав имеет структуру феррит + перлит и называется доэвтектоидной сталью.
Wondershare
PDFelement

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
8
РГР – 02069964 – 15.04.05 –55–22
Рисунок 4 – Диаграмма состояния железо – цементит.
Рисунок 5 – Кривая охлаждения и схема микроструктуры.
Wondershare
PDFelement

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
9
РГР – 02069964 – 15.04.05 –55–22
Б.5 Используя правило отрезков и графические построения определить состав и количество фаз сплава заданного состава при заданной температуре.
Сплав содержит 3,5% углерода, температура 900
°
С.
Чтобы определить концентрацию компонентов в фазах, чрез заданную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область. Проекции точек пересечения на ось концентраций показывает составы фаз. Отрезки этой линии между заданной точкой, и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.
Тогда состав аустенита определяется проекцией точки b на ось концентраций и составляет около 1,8% углерода. Состав цементита определяется проекцией точки c и составляет 6,67% углерода.
Количество аустенита:


%
100
bс
aс
17 5
,
9

100% = 56%;
Количество цементита: 100% - 56 % = 44%; в общем объеме сплава.
Wondershare
PDFelement

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
10
РГР – 02069964 – 15.04.05 –55–22
Задание 3
1. Кратко изложить основные фазовые превращения в стали, происходящие при термической обработке (с указанием критических точек).
При термической обработке в сталях происходят следующие фазовые превращения, интервалы которых характеризуются критическими точками.
Нижняя критическая точка А
1
лежит на линии PSK (727°С), а верхняя критическая точка А
3
– на линии GS для доэвтектоидных сталей и SE для заэвтектоидных сталей. При нагреве нижнюю точку обозначают А
с1
. Она лежит несколько выше PSK и соответствует превращению перлита в аустенит.
Верхняя точка А
с3
означает конец растворения феррита в аустените в доэвтектоидных сталях, и цементита в аустените – в заэвтектоидных.
При охлаждении точки обозначают соответственно
А
r3
(для заэвтектоидных А
rm
) и А
r1
. Они соответствуют температурам ниже равновесных и превращению аустенита в перлит.
Если скорость охлаждения стали от аустенитного состояния становится больше некоторой критической, то аустенит испытывает мартенситное превращение (при закалке) ниже критической точки А
r1
. Мартенсит представляет собой перенасыщенный твердый раствор углерода в α–железе.
При нагреве стали с мартенситной структурой происходит распад мартенсита с образованием ферритно-карбидной смеси (перлита).
Wondershare
PDFelement

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
11
РГР – 02069964 – 15.04.05 –55–22
2 Дать определение и кратко описать заданные виды термической и
химико-термической обработки. Каковы их цели?
А.5 Термическая обработка – нормализация.
Нормализации чаще всего подвергают конструкционные стали после горячей обработки давлением и фасонного литья. Нормализация отличается от отжига в основном условиями охлаждения; после нагрева до температуры на
50-70
о
С выше температуры А
С3 сталь охлаждают на спокойном воздухе.
Нормализация – более экономичная термическая операция, чем отжиг, так как меньше времени затрачивается на охлаждение стали. Кроме того, нормализация, обеспечивая полную перекристаллизацию структуры, приводит к получению более высокой прочности стали, так как при ускорении охлаждения распад аустенита происходит при более низких температурах.
Легированные конструкционные стали с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита после нормализации приобретают высокую твердость, затрудняющую последующую обработку резанием. В связи с этим после нормализации проводят отпуск при температурах, обеспечивающих получение требуемой твердости (650-750
о с в зависимости от состава стали).
После нормализации углеродистых и низколегированных сталей, так же как и после отжига, образуется ферритно-перлитная структура.
Свойства нормализованных горячеканных полуфабрикатов существенно зависят от сечения: чем меньше сечение, тем быстрее произойдет охлаждение на спокойном воздухе и тем выше будет прочность стали.
Б 5 Химико-термическая обработка – борирование стали.
Борирование применяют для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, теплостойкости и окалиностойкости стальных изделий. Обработке борированием подвергают детали как из углеродистых, так и легированных сталей (штампы, пресс-формы, детали высоконагруженных узлов трения),
Wondershare
PDFelement

Изм. Лист
№ докум.
Подпись Дата
Лист
12
РГР – 02069964 – 15.04.05 –55–22 работающие в условиях абразивного изнашивания и высоких температур.
Насыщающий средой, из которого бор диффундирует в сталь, служат расплавы буры (Na
2
B
4
O
7
) и хлористых солей (NaCl, BaCl
2
), газы (B
2
H
6
, BCl
3
), а также специальные порошки и обмазочные пасты из борсодержащих соединений.
Борированный слой достигает толщину 0,4 мм и состоит из боридов FeB и
Fe
2
B. Его твердость – 2000 HV.
Наиболее распространено борирование при электролизе расплава буры, которое выполняют при 930…950°С в течении 2…6 ч. В газовой фазе его осуществляют при более низких температурах (750…850°С) в течении 3…6 ч, в порошковых смесях и пастах – при более высокой температуре (до 1100°С), но длительность процесса может быть сокращена, а в случае применения обмазочных паст борирование можно проводить с нагревом изделий ТВЧ или газовым пламенем. После борирования требуется, как правило, их окончательная механическая обработка (шлифование или полирование).
Wondershare
PDFelement