Материаловедение: металлы и сплавы

Материаловедение: металлы и сплавы

Федеральное агентство по образованию

ГОУ СПО «Череповецкий металлургический колледж»

Специальность:

150411 «Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования»

Материаловедение: металлы и сплавы

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА

Выполнил: Леликов А.П.

студент группы ЗО - 3ТО

Преподаватель: Мальцева О.И.

Череповец

2009

Оглавление

1. Самостоятельная работа №1

«Формирование структуры и методы исследования свойств металлов»

2. Самостоятельная работа № 2

«Диаграмма состояния “железо-цементит”

3. Самостоятельная работа №3

«Железоуглеродистые сплавы»

4. Самостоятельная работа № 4

«Термическая обработка металлов и сплавов»

5. Самостоятельная работа № 5

«Сплавы, применяемые в промышленности»

Самостоятельная работа 1

«Формирование структуры и методы исследования свойств металлов»

Вариант задания № 9

1. Объясните, к какой деформации (холодной или горячей), следует отнести прокатку низкоуглеродистой стали, свинца и вольфрама при комнатной температуре.

Горячая деформация производится при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры. Холодная прокатка производится ниже температуры рекристаллизации, сопровождается упрочнением (наклепом) металла. Прокатка низкоуглеродистой стали, свинца и вольфрама при комнатной температуре следует отнести к холодной деформации.

Холодная прокатка по сравнению с горячей имеет два больших преимущества: во-первых, она позволяет производить листы и полосы толщиной менее 0,8-1 мм, вплоть до нескольких микрон, что горячей прокаткой недостижимо; во-вторых, она обеспечивает получение продукции более высокого качества по всем показателям - точности размеров, отделке поверхности, физико-механическим свойствам. Эти преимущества холодной прокатки обусловили ее широкое использование как в черной, так и в цветной металлургии.

В цветной металлургии холодная прокатка применяется для получения тонких полос, листов и лент из алюминия и его сплавов, меди и ее сплавов, никеля, титана, цинка, свинца и многих других металлов.

2. Напишите, каким способом надо измерять твёрдость листовой мягкой стали толщиной 1мм.

Твёрдость в большинстве случаев испытывается при статическом характере вдавливания индентора в виде шарика, конуса или пирамиды в тело исследуемого объекта или царапанием поверхностного слоя пирамидой из твёрдого материала (склерометрический метод).

Для определения твёрдости тонких слоёв или мелких образцов используют прибор “Супер-Роквелл”, отличающийся от обычного прибора “ТК” меньшими нагрузками.

3. Объясните, когда процесс кристаллизации протекает быстрее - при небольшой, большой и очень большой степени переохлаждения? (ответ обосновать).

Пространственные кристаллические решетки образуются в металле при переходе из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией.

Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении металла ниже равновесной температуры Тп (температура плавления).

На рис.1. изображены термические кривые, характеризующие процесс кристаллизации металлов при охлаждении с разной скоростью. При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика (рис.1 кривая ?Т). В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения (кривые ?Т1, ?Т2) число зародышей возрастает в большей мере, чем скорость их роста, и размер зерна в металле уменьшается.

Зерно металла сильно влияет на механические свойства: чем мельче зерно, тем выше вязкость и пластичность.

При увеличении степени переохлаждения скорость образования кристаллов и скорость их роста возрастают, при определенной степени переохлаждения достигают максимума, после чего снижаются.

Скорость роста

Самостоятельная работа 2

«Диаграмма состояния “Железо-цементит”»

Вариант Задания № 9

1. Построить диаграмму «железо-цементит» с обозначением линий, точек и областей.

Рис..1. Диаграмма состояния железо - цементит

К углеродистым сталям относятся сплавы железа с углеродом с массовой долей углерода от 0,02 до 2,14 %.

Основными компонентами углеродистых сталей являются железо и углерод.

Железо является полиморфным металлом. При температурах ниже 910° С, железо существует в ? -модификации. Эта аллотропическая модификация железа называется ? -железом. В интервале температур от 910° С до 1392° С существует ? -железо с гранецентрированной кубической решеткой.

Углерод является неметаллическим элементом. В углеродистых сталях эти компоненты взаимодействуют, образуя, и зависимости от их количественного соотношения и температуры, разные фазы, представляющие собой однородные части сплава. Углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. В углеродистых сталях различают следующие фазы (рис.1): жидкий сплав (Ж), твердые растворы -феррит (Ф) и аустенит (А) и химическое соединение цементит (Ц),

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в ? -железе. Содержит при нормальной температуре 0,006 % углерода. У феррита низкие твердость (HB = 790 МПа) и прочность (?6 = 245МПа), высокие пластичность (? = 50%, ? = 85%) и ударная вязкость (KCU = 2940кДж/м2).

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в ? -железе, при нормальной температуре в углеродистых сталях в равновесном состоянии не существует.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fc3C. Содержит 6,67 % углерода. Для цементита характерна высокая твердость (НV = 9800 МПа) и очень низкая пластичность.

Перлит - эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита (Ф+Ц). Существует ниже 727° С и содержит 0,8% С.

2. Определить вид углеродистой стали и белого чугуна по заданному содержанию углерода, отметить эти точки на своей диаграмме.

Сплав содержащий до 2,14 % С - сталь. По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на доэвтектоидные (0,02 % < C < 0,8 %) структура феррит + перлит (Ф+П); эвтектоидные (С = 0,8 % С), структура перлит (П), перлит может быть пластинчатый или зернистый.; заэвтектоидные (0,8 % < C < 2,14 %), структура перлит + цементит вторичный (П + ЦII), цементитная сетка располагается вокруг зерен перлита.

Сталь углеродистая с содержанием углерода 0,55. % С - это сталь доэвтектоидная (содержание углерода меньше 0,8%).

Сплав содержащий от 2,14 % С до 6,67 % С - чугун.

Чугун, содержащий от 2,14 % С до 4,3 % С называется доэвтектическим.

Чугун с содержанием 4,3 % С называется эвтектическим или ледебуритным.

Чугун, содержащий более 4,3 % С называется заэвтектическим.

Белый чугун с содержанием углерода 5.0 % С - это чугун заэвтектический (содержание углерода в пределах 4,3-6,67%).

3. Построить кривые охлаждения стали и чугуна с указанием положения критических точек.

а б

Рис.2 Кривые охлаждения стали (а) и чугуна (б)

4. Зарисовать схематично процесс охлаждения.

а - доэвтектоидная сталь ; б - заэвтектический белый чугун .

5. Описать словесно процесс охлаждения углеродистой сталь с содержанием 0,55 % С (из жидкого состояния до комнатной температуры) с описанием всех структурных и фазовых превращений.

Углеродистая сталь с содержанием 0,55 % С, доэвтектоидная, кристаллизуется в интервале температур, ограниченными линиями ВС и IE от 1510°С до 1440°С (рис.2,а).

Первичная кристаллизация: Ниже линии ВС сталь состоит из жидкой фазы и аустенита. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус ВС, а аустенита - по линии солидус IE.

При температуре около1440° C состав жидкой фазы определяется точкой 2, аустенита - точкой 1.

Ниже температуры по линии солидус IE -1440°С, до температуры по линии GOS - 790°С), происходит затвердевание и сталь получает однофазную структуру - аустенит.

Первичные кристаллы аустенита имеют вид дендритов, величина и строение, которых определяется перегревом металла выше линии ликвидус, его составом и условиями охлаждения в процессе кристаллизации.

При понижении температуры состав аустенита меняется по линии GOS, а феррита - по GP.

Вторичная кристаллизация:

Начало вторичной кристаллизации на линии GОS (790°С) и образование ферритно-аустенитной структуры.

Конец вторичной кристаллизации - на линии PSK (735°С), аустенит превращается в эвтектоидную смесь - перлит.

Таким образом, структура доэвтектоидной углеродистая стали с содержанием 0,55 % С после окончания всех превращений состоит из феррита и перлита.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо - цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются буквой А (от французского arret - остановка):

А1 - линия PSK (727°С) - превращение П А;

A2 - линия MO (768°С, т. Кюри) - магнитные превращения;

A3 - линия GOS(переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - превращение Ф А;

A4 - линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - превращение ;

Acm - линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) - начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A3).

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е , при охлаждении - букву r, т.е. .

Белый чугун с содержанием 5,0 % С, заэвтектический, кристаллизуется в интервале температур, ограниченными линиями CD и СF (рис.2, б).

Первичная кристаллизация проходит по линии ликвидус CD - 1230°С - жидкая фаза, заканчивается по линии СF - 1147°С - образование кристаллов цементита первичного.

Конец первичной кристаллизации при полном медленном охлаждении образуют структуру цементита первичного и ледебурита (аустенит +цементит). Вторичная кристаллизация - при температуре ниже 727° С, меняется состав ледебурита (перлит + цементит).

После окончания всех превращений структура белого чугуна с содержанием 5,0 % С, состоит из ледебурита + цементита первичного.

5. Заполнить таблицы 4, 5:

Таблица 4 - Линии диаграммы Fe - Fe3С

Таблица 5 - Точки диаграммы Fe - Fe3С

Самостоятельная работа 3

«Железоуглеродистые сплавы»

Вариант Задания № 9

1. Расшифровка марок сталей.

40Х; 55; Ст4пс; 09Х15Н8Ю; 60С2; 09Г2С; 30ХН2ВФ.

40Х - конструкционная, улучшаемая, легированная хромистая сталь;

0,36-0,44% С; 0,17-0,37% Si; 0,50- 0,80% Mn; 0,8-1,10% Cr; не более 0,3% N i.

55 - углеродистая качественная конструкционная сталь;

0,52-0,6% C; 0,5-0,8% Mn; 0,17-0,37% Si; не более 0,25% Cr.

Ст4пс - углеродистая конструкционная полуспокойная сталь обыкновенного качества общего назначения; 0,18-0,27% C; 0,40-0,70% Mn; 0,05-0,17% Si;

09Х15Н8Ю - коррозионно-стойкая сталь аустенитно-мартенситная нержавеющая сталь; ?0,09% C; 14-16% Cr; 7-9% Ni, 0,7-1,3 % Al.

60С2 - углеродистая легированная сталь для пружин и рессор; 0,58-0,63% C;

1,6-2,0% Si; 0,6-0,9% Mn, не более 0,3% Cr, 0,25% Ni,0,20% Cu.

09Г2С - сталь низколегированная, для судостроения, химической промышленности, вагоностроения и мостостроения; не более 0,12% C, 0,5-0,8% Si, 1,3-1,7% Mn, не более 0,3% Ni, 0,3% Cu, 0,3% Cr.

30ХН2ВФ - хромоникелевольфрамовая сталь;

0,27-0,3% C; 0,6-0,9% Cr; 2,0-2,4% Ni; 0,5-0,8% W, 0,15-0,3% V

В основу маркировки сталей положена буквенно-цифровая система.

Страницы: 1, 2