Контрольная по Материаловедению

Подождите немного. Документ загружается.

1) Что такое твердость. Методика ее определения.

2) Начертите диаграмму состояния железо-цементит с указанием

во всех ее областях фаз и структурных составляющих. Рассмотрите

формирование структуры при охлаждении из жидкого состояния

сплава, содержащего 3,8% С. В произвольной точке этого сплава между

линиями ликвидус и солидус, определите содержание C в фазах и их

количество.

3) Назначить режим обработки шестерни из стали 20

обеспечивающий твердость зуба HRC 58…60.

1) Что такое твердость. Методика ее определения.

Твёрдость — свойство материала сопротивляться

проникновению в него другого, более твёрдого тела.

Наиболее твёрдым из существующих на сегодняшний день

материалов является ультратвёрдый фуллерит (примерно в 1,17—1,52

твёрже алмаза). Однако этот материал доступен только в

микроскопических количествах. Самым твёрдым из распространённых

веществ является алмаз (10 единиц по шкале Мооса, см. ниже).

Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов

измерения):

 Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру

отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым

в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия,

приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь

отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь

круга); единицей твёрдости служит кгс/ммІ. Твёрдость,

определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness

(твёрдость, англ.), B — наименование шкалы;

 Метод Роквелла — твёрдость определяется по глубине

вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в

поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая

по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB,

HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HRK=K100K−Kkd,

где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной

нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, бесконечной

твёрдости соответствует HRK100; мягкие материалы могут иметь

отрицательные значения твёрдости.

 Метод Виккерса — твёрдость определяется по размеру отпечатка,

оставляемого четырёхугольной алмазной пирамидкой,

вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как

отношение усилия, приложенного к пирамидке, к площади

отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части

поверхности пирамиды, а не как площадь квадрата); единицей

твёрдости служит кгс/ммІ. Твёрдость, определённая по этому

методу, обозначается HV;

 Метод Шора — твёрдость определяется по высоте отскакивания

стального шарика от поверхности изучаемого металла или по

глубине введения алмазной иглы под действием пружины.

Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HSD;

 метод Кузнецова — Герберта — Ребиндера — твёрдость

определяется временем затухания колебаний маятника, опорой

которого является исследуемый металл;

 Шкала Мооса — используется главным образам для указания

твёрдости минералов, определяется по тому, какой из десяти

стандартных минералов царапает тестируемый, и какой материал

из десяти стандартных царапается тестируемым.

В России стандартизированы четыре первые шкалы твёрдости.

Первые три перечисленных метода относятся к методам вдавливания,

методы Шора и Кузнецова — Герберта — Ребиндера — к

динамическим методам определения твёрдости. Значения твёрдости,

определённые по методам вдавливания, можно пересчитать из одной

шкалы в другую. Конкретный способ определения твёрдости

выбирается исходя из свойств материала, имеющейся аппаратуры и др.

Для инструментального определения твёрдости методом

вдавливания используются твердометры. Большим плюсом твёрдости,

как характеристики материала является то, что методы определения

твёрдости являются неразрушающими и занимают мало времени.

2) Начертите диаграмму состояния железо-цементит с указанием

во всех ее областях фаз и структурных составляющих. Рассмотрите

формирование структуры при охлаждении из жидкого состояния

сплава, содержащего 3,8% С. В произвольной точке этого сплава между

линиями ликвидус и солидус, определите содержание C в фазах и их

количество.

Железоуглеродистые сплавы - основные конструкционные

материалы, которые используются в машиностроении, строительстве,

транспорте и других отраслях народного хозяйства. Изменяя состав и

структуру, получают сплавы с самыми разнообразными свойствами, что

и делает их универсальными конструкционными материалами.

О структуре железоуглеродистых сплавов в зависимости от

содержания углерода и температуры, а также о возможности изменения

микроструктуры в результате термической обработки, определяющей

эксплуатационные свойства сплавов, судят по диаграмме состояния

системы железо-углерод.

На диаграмме точка А отвечает температуре плавления железа -

1539°С. Кристаллизация сплавов с содержанием до 0,51%С (точка В)

начинается на линии АВ выделением из расплава кристаллов δ-

феррита, состав которых определяется линией АН. Этот процесс

кристаллизации проходит до конца, т.е. до полного исчезновения

жидкого раствора, только у сплавов, содержащих не более 0,1%С (точка

Н).

При содержании углерода от 0,1 до 0,51%С и температуре 1493°С

(горизонталь НВ) протекает перитектическое превращение. В

результате взаимодействия жидкого сплава Ж и δ-феррита Ф присходит

образование новой фазы - аустенита А: Ж

+Ф

→А

(индексы

обозначают точки диаграммы, соответствующие составам фаз или

структурных составляющих, которые участвуют в превращении).

В сплаве, содержащем 0,18%С (точка J) вся жидкая фаза Ж

и все

кристаллы δ-феррита Ф

полностью расходуются на образование

аустенита А

. В сплавах, содержащих от 0,1 до 0,18%С, т.е. на участке

HJ, при перитектическом превращении жидкая фаза расходуется

полностью, а кристаллы δ-феррита остаются в избытке. Поэтому в

результате перитектического превращения образуется двухфазная

структура - А

+Ф

. В сплавах на участке JB, т.е. при содержании от 0,18

до 0,51%С, при перитектическом превращении кристаллы δ-феррита

расходуются полностью, а жидкость остается в избытке. Поэтому в

результате этого превращения также образуется двухфазная структура,

но состоять она будет из аустенита А

и жидкости Ж

Ниже линии ВС и до линии JEC при охлаждении из жидкого

расплава выделяются кристаллы аустенита. В процессе кристаллизации

состав жидкой фазы меняется по линии ВС, а состав аустенита - по

линии JE. В области ВСЕJ сплав состоит из двух фаз - жидкого сплава и

аустенита. При достижении температуры 1147°С (линия EF)

концентрация углерода в аустените составляет 2,14% (точка Е), а

концентрация углерода в жидкости - 4,3% (точка С).

Ниже температур, соответствующих линии CD, и до линии CF из

расплава выпадают кристаллы цементита Fe

C, получившего название

первичного (Ц

). Состав жидкой фазы в процессе кристаллизации

изменяется по линии CD. Следовательно, при температуре 1147°С и

концентрации углерода 4,3% расплав становится насыщенным как

аустенитом, так и цементитом. Обе эти фазы будут одновременно

кристаллизоваться из жидкого сплава, образуя механическую смесь -

эвтектику, названную в честь германского металлурга А. Ledebur

ледебуритом: Ж

→А

+Fe

При охлаждении сплавов, содержащих не более 0,18%С, в

области HJN, происходит превращение δ-феррита в аустенит. Линия NH

- верхняя граница области сосуществования δ-феррита и аустенита,

линия NJ - нижняя (окончание превращения δ-феррита в аустенит при

охлаждении). Все сплавы в области, ограниченной сверху линиями NJ

и JE, а в нижней части линиями GS и SE, являются однофазными с

аустенитной структурой. При снижении температуры ниже линии GS

из аустенита выделяется твердый раствор углерода в α-железе - феррит,

а ниже линии SE - цементит Fe

C, получивший название вторичного

(Ц

). В области GSP сплавы состоят из аустенита и феррита, а под

линией SE (0,8-2,14%С), но выше 723°С - из аустенита и вторичного

цементита, выделившегося при охлаждении в виде сетки по границам

бывшего зерна аустенита или в виде игл (пластин).

Приняты следующие интернациональные обозначения

критических точек в чистом железе и в сплавах железа с углеродом:

А со значком внизу (2, 3 или 4) - точки превращения одной

формы железа в другую, обнаруживаемые на кривых охлаждения или

на кривых изменения какого-либо физического свойства в зависимости

от температуры. Значки указывают порядковый номер превращения.

Значок 2 (А

-768°С) относится к магнитному превращению α-Fe.

Критическую точку 768°С, соответствующую переходу железа из

ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри.

Первоначально, до рентгенографического исследования, как отмечено

выше, ошибочно полагали, что выше 768°С и ниже 910°С железо

находится в самостоятельной кристаллической модификации, которую

обозначали через β (β-Fe).

Значок 3 (А

) относится к превращению α;-Fe→γ-Fe.

Модификация α-Fe существует при температурах ниже 910°С.

Значок 4 (А

) относится к превращению γ-Fe→δ-Fe. γ-Кристаллы

устойчивы до температуры 1392°С. δ-Fe, существующее в интервале

1392-1539°С (температура плавления железа), как уже было сказано,

нередко обозначают как α - железо, так как α и δ -кристаллы имеют

решетку объемно-центрированного куба и по существу ничем не

отличаются.

Поскольку при переходе из одной формы в другую железо

способно к переохлаждению, то положение точек при нагревании и при

охлаждении несколько отличается (явление гистерезиса).

Превращение при нагревании обозначают буквой с (фр. chauffer), при

охлаждении буквой r (фр. refroidir). Записывают превращения

следующим образом: Ас

, Аr

, Ac

, Ar

, Ac

, Ar

Значки 0 и 1 относятся к превращениям, протекающим только в

сплавах железа с углеродом. Значок 0 (А

-210°С) относится к

магнитному превращению цементита Fe

C. Значок 1 (А1-723°С)

относится к эвтектоидному превращению.

Критические точки, соответствующие линии GS, принято

обозначать Аr

при охлаждении и Ас

при нагреве, а соответствующие

линии PSK Ar

и Ac

соответственно. Критические точки, образующие

линию SE, обозначают Acm.

Диаграмма состояния железо-углерод: штриховые линии -

диаграмма железо-графит; сплошные линии - диаграмма железо-

цементит; Ж - жидкий раствор углерода в железе; δ - твердый раствор

углерода в дельта-железе; γ - твердый раствор углерода в гамма-железе;

α - твердый раствор углерода в альфа-железе; Fe

C - карбид железа.

3,8% С

0.5%С

Рассмотрим формирование структуры при охлаждении из

жидкого состояния сплава, содержащего 3,8% С:

Сплавы, содержащие 3,8% С, при температурах от 1147 до 723°С

состоят из аустенита, вторичного цементита и ледебурита

(представляющего смесь аустенита и цементита А+Ц), а содержащие

больше 4,3%С - из первичного цементита и ледебурита (также смесь

А+Ц). Сплав с содержанием 4,3%С соответствует ледебуриту (А+Ц, в

температурном интервале 723-1147°С).

При 723°С (линия PSK) аустенит распадается с образованием

эвтектоида - механической смеси феррита и цементита, которая

получила название перлита (указание на перламутровый отлив шлифа

этой смеси при травлении):

→ Ф

+Fe

Перлит чаще состоит из чередующихся пластинок феррита и

цементита, т.е. имеет пластинчатое строение. Толщина пластинок

феррита и цементита находится в соотношении 7.3:1. После

специальной термической обработки перлит может иметь зернистое

строение (цементит образует сфероиды).

Полное затвердевание сплавов системы железо-цементит

происходит по линии солидуса AHJECF. Превращения в сплавах

системы железо-цементит в твердом состоянии связаны с

полиморфизмом железа и различной растворимостью углерода в его

модификациях.

3) Назначить режим обработки шестерни из стали 20

обеспечивающий твердость зуба HRC 58…60.

У многих деталей машин (валов, шестерён ит.д.)поверхность в

процессе эксплуатации подвергается истиранию и в то же время на них

воздействуют динамические (чаще всего ударные) нагрузки. Для

успешной работы в таких условиях поверхность детали должна иметь

высокую твёрдость, а сердцевина быть вязкой. Такое сочетание свойств

достигается правильным выбором марки стали и последующим

упрочнением её поверхностных слоёв. Для изготовления подобных

деталей, в данном случае шестерни из стали 20, нужно применить

такой способ её поверхностного упрочнения:

Принятые обозначения: От- отжиг, Ц- цементация, З- закалка, О-

отпуск

Марка Твердость HRC Рекомендуемый

вид термообработки

Конструкционная

углеродистая сталь

Сталь 20 56-62 Ц,З,О

Цементация - Насыщение поверхностного слоя мягкой стали

углеродом (науглероживание). Сопровождается последующей закалкой

с низким отпуском. Глубина цементированного слоя составляет 0,5-2

мм. Придание изделию высокой поверхностной твердости с

сохранением вязкой сердцевины. Цементации подвергаются

углеродистые или легированные стали с содержанием углерода: для

мелких и средних изделий 0,08-0,15 %, для более крупных 0,15-0,5%.

Цементации подвергаются зубчатые колеса, поршневые пальцы и др.

Цементацией называется процесс насыщения поверхностного

слоя стальных изделий углеродом. Цементация осуществляется с

целью получения высокой твердости на поверхности изделия при

сохранении вязкой сердцевины, она способствует повышению

износостойкости и предела выносливости.

Цементацией подвергают детали из низкоуглеродистых сталей

(до 0,25% ), работающие в условиях контактного износа и

знакопеременных нагрузок (втулки, поршневые пальцы, кулачки,

колонки и т.д.) .

Для цементации детали поступают после механической

обработки с припуском на шлифование 0,05-0,10мм. Участки, не

подлежащие цементации, защищают тонким слоем меди, наносимым

электрическим способом, или специальными обмазками, состоящими

из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком

стекле.

Цементация осуществляется при температурах выше 900-950с.

Чем меньше углерода в стали, тем выше температура нагрева для

цементации. При этих температурах атомарный углерод

адсорбируется на поверхности стали и диффундирует вглубь металла.

KВ результате цементации содержание углерода в поверхностном

слое составляет 0,8-1,0 %. Более высокая концентрация углерода

способствует охрупчиванию цементованного слоя.

Среда, в которой проводят цементацию, называют

карбюризатором.

Закалка непрерывная полная для получения (в соч. с отпуском)

выс. твердости и износостойкости деталей из доэвтектоидной и

эвтектоидной сталей.

Производится путём нагрева до температуры выше точки Ас3 на

30—50 К, выдержка и последующее резкое охлаждение.

Низкий отпуск предназначен для снятия внутренних напряжений и

уменьшение хрупкости режущего и мерительного инструмента после

поверхностной закалки; для цементируемых деталей после закалки.

Производится путём нагрева в интервале температуры 423—523 К и

последующее ускоренное охлаждение.

4)Жаростойкость(окалиностойкость). Жаростойкие стали.

Коррозийно-стойкие и жаростойкие стали и сплавы

Жаростойкие стали и сплавы. Повышение окалиностойкости

достигается введением в сталь главным образом хрома, а также

алюминия или кремния, т. е. Элементов, находящихся в твердом

растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов

(Cr, Fe)

, (Al, Fe)

Для изготовления различного рода высокотемпературных установок,

деталей печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные

(12Х17, 15Х25Т и др.) и аустенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР,

36Х18Н25С2 и др.) стали, обладающие жаропрочностью.