Методические указания к выполнению контрольной работы №3 по курсу «материаловедение и ткм» для студентов специальности 100400 (заочной формы обучения) (стр. 2 из 3)

Вариант 9

1. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите, структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 5,0% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

2. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита стали У8. Нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей твердость 20...25 HRC. Укажите, как этот режим называется и какая структура образуется в данном случае?

3. Режущий инструмент из стали У10 был перегрет при закалке. Расшифруйте марку стали, область её применения и объясните, чем вреден перегрев и как можно исправить этот дефект?

Вариант 10

1. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 3,6%С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

2. С помощью диаграммы состояния железо-цементит установите температуру полного и неполного отжига и нормализации для стали 20. Охарактеризуйте эти режимы термической обработки и опишите структуру и свойства стали.

3. Для изготовления сильно нагруженных подшипников скольжения выбран сплав БрС30. Расшифруйте состав сплава, к какой группе относятся данные сплавы по назначению.

ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОГО ЗАДАНИЯ № 3

1. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 45...50 HRС. Укажите, как этот режим называется, опишите сущность превращений и какая структура получается в данном случае.

2. Как изменяются структура и свойства стали 40 и У12 в результате закалки от температуры 750 и 850°С. Объясните с применением диаграммы состояния железо-цементит. Выберите оптимальный режим нагрева под закалку каждой стали.

3. Стекловолокнит СВАМ. Опишите свойства, способ получения, изготовления деталей и применения его в машиностроении.

Решение

1. В зависимости от склонности к росту аустенитного зерна при нагреве стали бывают мелко- или крупнозернистыми. Мелкозернистые стали в интервале температур нагрева 950...1000°С почти не изменяют величину зерна. У крупнозернистых сталей рост зерна начинается сразу же после перехода через критическую точку. Отсюда вытекает необходимость строгого соблюдения технологических режимов термической обработки, оказывающих решающее влияние на качество изделий.

Возможность упрочнения сталей путем термической обработки обусловлена наличием аллотропических превращений в твердом состоянии. Охлаждая аустенит с различными скоростями и вызывая тем самым различную степень переохлаждения, можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам.

Вычертим диаграмму изотермического превращения аустенита (рис.1).

Рис. 1. Диаграмма изотермического превращения аустенита

Кривая 1 графика соответствует началу распада аустенита при различных степенях переохлаждения; левее ее находится переохлажденный аустенит (область А). Кривая 2 показывает окончание процесса распада аустенита на ферритоцементитную смесь (область П). Горизонтальная прямая М_нхарактеризует начало, а прямая М_к — конец бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит. На диаграмме показаны кривые скоростей охлаждения стали. Малая скорость охлаждения v₁ приводит к образованию грубой смеси феррита и цементита, перлита с твердостью HRC 10. Чем больше скорость охлаждения, тем более мелкодисперсная образующаяся феррито-цементитная смесь.

Сорбит (первая закалочная структура), получающийся при скорости охлаждения стали v₂, представляет собой смесь феррита и цементита; он отличается от перлита более тонкодисперсным строением, твердость сорбита HRC20. Стали с сорбитной структурой износостойкости, используются для изготовления нагруженных изделий.

Троостит (вторая закалочная структура) получается при скорости охлаждения v₁ в результате распада переохлажденного аустенита при 500...550°С, обладaeт значительной упругостью; представляет собой тонкодисперсную смесь феррита и цементита. Твердость троостита составляет HRC 30.

Сталь со структурой троостита отличается высокими значениями прочности и упругости. Ее используют, главным образом, для изготовления пружин и рессор.

Превращение аустенита в мартенсит происходит при очень быстром охлаждении (v₅>v_кр). При этом фиксируется типичная для мартенсита игольчатая структура. Он представляет собой пересыщенный твердый pacтвop углерода в α-железе. Мартенсит — твердая и хрупкая структура; твердость его составляет HRC62...66.

При непрерывном охлаждении стали У8 структура состоит из троостита и мартенсита, что соответствует скорости охлаждения v₄ стали (см. рис.1).

2. Закалка—процесс нагрева стали выше точки Ас₃ (полная закалка) или Ас₁Ас (неполная) на 30...50°С с последующим быстрым охлаждением сталей, содержащих углерода более 0,3 %,.

Цель закалки — получение высокой твердости и заданных физико-механических свойств. Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания в ней углерода. При содержании углерода менее 0,2 % сталь практически не закаливается.

На рис. 2 приведена диаграмма интервалов температур для закалки железоуглеродистых сталей.

Рис. 2. Температурный интервал закалки и отпуска стали:

I - полная закалка; II - неполная закалка;III - высокий отпуск

Сталь 40 – это доэвтектоидная сталь (С<0,8%), её подвергают полной закалке. Структура такой стали состоит из феррита (белые включения) и перлита (темные включения).

После охлаждения закаленной стали в воде при комнатной температуре в структуре образуется мелкоигольчатый мартенсит и небольшое количество остаточного аустенита (1...2%). Нагрев стали при закалке значительно выше критической точки Ас₃ (на 150...200°С) приводит к ее перегреву. В результате получается крупноигольчатый мартенсит, и сталь приобретает пониженную ударную вязкость. Нагрев стали 40 выше точки Ас₁, но ниже точки Ас₃, приводит к неполной закалке. В структуре такой стали наряду с мартенситом присутствуют участки феррита. Эта сталь имеет пониженную твердость.

На рис.3 приведено схематическое изображение структурных превращений для доэвтектоидных сталей, имеющих место при полной закалке (а) – нагрев до температуры выше точки Ас₃, и неполной закалке (б) – нагрев до температуры выше точки Ас₁.

Рис.3. Структурные превращения в доэвтектоидной стали при закалке:

а – полная закалка; б – неполная закалка

Сталь У12 – это заэвтектоидная сталь (С>0,8%), её подвергают неполной закалке. На рис. 4 приведена схема структурных превращений, происходящих при закалке заэвтектоидной стали. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше точки Ас_{m ,} то в структуре ее будет крупноигольчатый мартенсит с повышенным количеством остаточного аустенита (рис.4 б), что приведет к снижению твердости стали. Поэтому все заэвтектоидныё стали подвергают неполной закалке (рис.4 а). Структура этих сталей состоит из мартенсита и цементита.

Рис. 4. Структурные превращения в заэвтектоидной стали при закалке:

а– неполная закалка; б – полная закалка

3. Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ) получают прессованием листов стеклошпона, пропитанных смолой. Стеклошпон изготовляется из стеклянных нитей, которые склеиваются между собой сразу после изготовления. Листы стеклошпона располагаются в материале так, чтобы волокна соседних листов располагались под углом 90°. СВАМ обладает высокой прочностью, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, теплостоек до 200-400°С. Применяется для изготовления корпусов судов, цистерн, контейнеров, вентиляционных труб, деталей летательных аппаратов, а также в качестве электроизоляционного материала. Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ) химически стойкий, негорючий, предельная температура длительной работы 280°С, имеет высокую прочность

=80…500 МПа, технологичны. Кроме того, благодаря демпфирующей способности, их используют для работы в условиях вибрационных нагрузок.

Из стекловолокнитов делают высокоточные, любой конфигурации (с резьбой и со стальной арматурой) крепёжные изделия и детали машин. Достоинством стекловолокнитов является недефицитность и низкая стоимость упрочнения, недостатком – сравнительно низкий модуль упругости. Однако по удельной жесткости они превосходят легированные стали и сплавы алюминия, магния и титана (2500 – 2800 км).

Если длинные стеклянные волокна укладываются закономерно и отдельными прядями, то получаются ориентированные стекловолокниты марок АГ-4С, ВМ-1 и др., повышающие свои механические свойства в сравнении с обычными стекловолокнитами в 3…5 раз и более.