Контрольная работа по «Материаловедение и технология конструкционных материалов»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тихоокеанский государственный университет»

Кафедра «Литейного производства и технологии металлов»

Специальность 190109.65 «Наземные транспортно-технологические средства»

Контрольная работа

по дисциплине «Материаловедение и технология 
конструкционных материалов»

                                                                       Выполнил: студент группы

                                                                        НТС3 -12, ЗФ (ДОТ)                       

                                                                                            номер зачетной книжки

                                                     110430784

                           Прадедов Е.А.

   Домашний адрес, телефон:

                                                                                         Сахалинская область,

                                                                                         г. Южно-Сахалинск,           

                                                                                         пр. Мира, д. 194, кв. 84,     

                                                                                         89624165820

    Проверил:_______________

                                                                                        _______________________

Хабаровск 2013 г.

Вариант 34

1. Для отливки  ответственных зубчатых колес, шкивов  и т.д. используются серые чугуны. Выберите марки чугунов, их состав, структуру и свойства. Зарисуйте  микроструктуру этих чугунов.

Решение: Для изготовления ответственных деталей выбираем марку чугуна СЧ32-52. Его назначение: ответственное высоконауглероженное литье с толщиной стенок  20-100 мм (цилиндры, крышки цилиндров, малые коленчатые валы и т.д.).

Химический состав: углерода 2,7-3,0 %; кремния 1,1-1,5; марганца 0,8-1,2 %, фосфора не более 0,2%, серы не более 0,12%; никеля не более 0,5%; хрома не более 0,3%.

Обработка: чугун следует нагреть до температуры 570 0G со скоростью нагрева 100-150 0 G в час, далее следует выдержка 2-4 часа. Охлаждение должно быть медленным (10-500 G в час), вместе с печью. Выдержка зависит от толщины стенки отливки. Такую термическую обработку применяют для снятия внутренних напряжений в чугунных отливках.

Структура: серый чугун марки СЧ32-52 является одним из наилучших по всем механическим свойствам (прочности, твердости, пластичности). Такой чугун называется высококачественным, он имеет  структуру перлита с мелкими пластинчатыми включениями графита.

Обладая вследствие наличия мелкораздробленного хорошими механическими свойствами, он одновременно имеет повышенную твердость и износоустойчивость, обусловленную перлитной структурой металлической основы. Поэтому из такого чугуна и изготавливаются такие ответственные детали, как поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания и многие другие.

Предел прочности: при растяжении 32 кгс/мм2, при изгибе 52 кгс/мм2, при сжатии 110 кгс/мм2; Стрела прогиба (расстояние между опорами 600 и 300 мм):9/3; Твердость по Бринеллю: 187-255 НВ.

2. Гильзы цилиндров  двигателей внутреннего сгорания  должны иметь высокую твердость  и износоустойчивость поверхностного  слоя 750...1000 HV. Для изготовления их  выбрана сталь 38Х2МЮА. Укажите состав  и определите группу стали  по назначению. Назначьте и обоснуйте  режим термической и химико-термической  обработки, объяснив влияние легирования  на превращения в стали при  ее термической обработке. Опишите  структуру и свойства поверхностного  слоя и сердцевины гильзы.

Для гильз цилиндров используют высоколегированные стали 38Х2МЮА,  38ХМФЮА - они обладают большой поверхностной твердостью, износостойкостью и повышенным приделом выносливости (600МПа) при минимальной деформации в процессе термообработки. Сталь 38ХМФЮА имеет сходный химический состав со сталью 38Х2МЮА и отличается лишь содержанием ванадия, поэтому является более дорогостоящей.

В связи с дороговизной стали 38ХМФЮА, а также удовлетворительными характеристиками стали 38Х2МЮА, для гильз цилиндров, работающих при высоких давлениях и температурных нагрузках, выбираем сталь 38Х2МЮА.

Сталь 38Х2МЮА-Сталь жаропрочная релаксационностойкая. Применение: азотируемые детали: Штоки клапанов паровых турбин, работающие при температуре до 450 °С, гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, иглы форсунок, тарелки букс, распылители, пальцы, плунжеры, распределительные валики, шестерни, валы, втулки и другие детали. Общая характеристика: сталь коррозионностойкая в атмосферных условиях после азотирования. Не склонна к отпускной хрупкости, флокеночувствительная. Для сварных конструкций не применяется, теплоустойчива до 500°С. Плотность при 20°С - 7,71х10³ кг/м³. Химический состав марки стали 38Х2МЮА представлен в таблице 1.

Таблица 1– Химический состав в % материала 38Х2МЮА

Влияние некоторых основных легирующих элементов на свойства сталей.

А). Никель. Никель образует твердые растворы внутри легированных сталей, повышается прочность стали, ее устойчивость к высоким температурам (никель – сильный аустенизатор).

Б). Вольфрам и молибден. Вольфрам повышает твердость и прочность стали. Сильно карбидообразующий элемент. Основная цель введения- уменьшение склонности к отпускной хрупкости второго рода , улучшение свойств комплекснолегированных сталей в результате измельчения зерна, повышение стойкости к отпуску, увеличение прокаливаемости.

В). Марганец. Марганец способствует повышению твердости и прочности, обеспечивает высокую вязкость сталей но он делает структуру стали чувствительной к перегреву, поэтому для измельчения зерна вместе с марганцем вводят карбидообразующие элементы.

Г). Кремний. Кремний – ферритизатор – повышает устойчивость феррита при высоких температурах.

Д). Хром. Хром – растворяясь в феррите и цементите оказывает благоприятное влияние на механические свойства.

В таблице 2 указаны основные характерные для стали 38Х2МЮА -критические точки начала и конца образования аустенита при нагреве и охлаждении и точка начала мартенситного превращения в °С[3].

Таблица 2– Температура критических точек

В таблице 3 приведены зарубежные аналоги стали 38Х2МЮА, их наименование.

Таблица 3– Зарубежные аналоги материала 38Х2МЮА

В таблице 4 показана зависимость твердости от расстояния от торца детали, при закалке при температуре 870°С, критический диаметр в воде и масле.

Таблица 4– Прокаливаемость стали 38Х2МЮА

Механические свойства стали 38Х2МЮА

Механические свойства стали 38Х2МЮА в зависимости от температуры отпуска, а также от температуры испытаний представлены в таблице 5[4]. Испытания на растяжение проведены в соответствии с ГОСТ 1497– 84 (Металлы. Методы испытаний на растяжение), а также в соответствии с ГОСТ 9651– 84 (Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах). Испытания на ударный изгиб проведены в соответствии с ГОСТ 9454– 80, ГОСТ 9456– 60 (Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при комнатной и повышенной температурах соответственно) на образцах с U– образным концентратором напряжений.

Таблица 5– Механические свойства стали 38Х2МЮА

σ0,2– предел текучести условный, МПа;

σв– временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа;

δ5– относительное удлинение после разрыва, %;

ψ– относительно сужение, %;

KCU– ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U, Дж/см2;

HRCэ– твердость по Роквеллу, шкала С.

Технологические свойства

Ковка — это высокотемпературная обработка различных металлов, нагретых до ковочной температуры. Для каждого металла существует своя ковочная температура, зависящая от физических (температура плавления, кристаллизация) и химических (наличия легирующих элементов) свойств. Для стали 38Х2МЮА температура начала ковки составляет 1240°С, температура конца -800°С

Свариваемость является комплексной характеристикой стали, определяющейся технологическими трудностями, возникающими при сварке, и эксплуатационной надежностью сварных соединений. В зависимости от сложности технологических приемов, устраняющих возможность образования трещин при сварке и обеспечивающих получения сварного соединения требуемого качества, стали условно разделяют на четыре группы по свариваемости:

1. стали свариваемые без  ограничения;

2.ограниченно свариваемые  стали;

3. трудносвариваемые стали;

4. стали, не применяемые  для сварных конструкций.

Сталь 38Х2МЮА относится к четвертой группе по свариваемости, то есть не применяется для сварных конструкций.

Обрабатываемость стали 4Х5МФС оценена по скорости резания , соответствующей 60–минутной стойкости резцов υ60 и выражена коэффициентами Кυ тв.спл=0,75; Кυ б.ст=0,55 (в закаленном и отпущенном состоянии при НВ 240-277).

Кυ тв.спл, Кυ б.ст – коэффициенты обрабатываемости для условий точения резцами соответственно твердосплавными и из быстрорежущей стали:

Кυ тв.спл= υ60/145, (1)

Кυ б.ст= υ60/70, (2)

где υ60– скорость резания, соответствующая 60– минутной стойкости резцов, при точении данной стали, м/мин;

145 – значения скорости  резания при 60– минутной стойкости  твердосплавных резцов при точении  эталонной стали 45;

70 – значение скорости  резания при 60– минутной стойкости  быстрорежущих резцов при точении  эталонной стали 45.

Склонность к обратимой отпускной хрупкости сталей проявляется в снижении ударной вязкости при медленном охлаждении после высокого отпуска или при длительных выдержках в интервале температур 450– 600˚С. Стали условно разбиты на три группы: не склонные к отпускной хрупкости, малосклонны, склонны. Сталь 38Х2МЮА относится к группе сталей не склонных к обратимой отпускной хрупкости.

Еще одной важной технологической характеристикой стали является флокеночувствительность. Рассматриваемая сталь 38Х2МЮА является чувствительной к образованию флокенов.

Все данные по технологическим свойствам сведены в таблицу 5.

Таблица 5– Технологические свойства стали 38Х2МЮА

Выбор и обоснование параметров термической обработки

Воспользовавшись «Марочником сталей»  зададимся предварительным режимом термической обработки данной стали (38Х2МЮА). Режим выглядит следующим образом.

Проводим закалку при температуре 850-900 °С в масле. Затем отпуск при температуре 500 °С. После проведения термообработки получаем твёрдость порядка 310 НB. Схема термообработки приведена на рисунке 1.

Как и цементация, азотирование проводится для повышения твердости, износостойкости и прочности поверхностных слоев детали при сохранении вязкой, пластичной сердцевины. Азотирование кроме этого повышает так же коррозионную стойкость стали в атмосфере влажного воздуха или пресной воде. При азотировании сталь нагревают до температуры 500-540°С. Скорость азотирования значительно ниже чем цементации, так как меньше температура нагрева, поэтому толщина азотированного слоя не велика от 0,3 до 0,6 мм, а длительность процесса 20-60 часов.

Рисунок  – Режим окончательной термической обработки гильз цилиндров стали 38Х2МЮА

Как и цементация, азотирование проводится для повышения твердости, износостойкости и прочности поверхностных слоев детали при сохранении вязкой, пластичной сердцевины. Азотирование кроме этого повышает так же коррозионную стойкость стали в атмосфере влажного воздуха или пресной воде. При азотировании сталь нагревают до температуры 500-540°С. Скорость азотирования значительно ниже чем цементации, так как меньше температура нагрева, поэтому толщина азотированного слоя не велика от 0,3 до 0,6 мм, а длительность процесса 20-60 часов.

Контроль качества после азотирования

После азотирования детали подвергают следующим видам контроля: а) внешнему осмотру — азотированная поверхность должна иметь однотонный цвет без пятен; б) проверке размеров — определяют величину коробления; в) измеряют твердость поверхностных слоев на приборе Виккерса; г) определяют толщину слоя на образцах, изготовленных из той же марки стали, что и азотируемые детали; д) определяют хрупкость слоя по виду отпечатка пирамиды прибора Виккерса; е) проверяют пористость слоя при антикоррозионном азотировании.

 Виды брака  при азотировании и способы  его устранения

Все данные по видам брака, спопобам их устранения и предупреждения сведены в таблицу 6.

Таблица 6– виды брака при азотировании и способы его устранения

3. Для изготовления  деталей, работающих в активных  коррозионных средах, выбрана сталь 08Х18Н12Т. Укажите состав и объясните  причины введения легирующих  элементов в эту сталь. Назначьте  и обоснуйте режим термической  обработки и опишите микроструктуру  данной стали после термической  обработки.

Сталь 08Х18Н12Т применяется: для производства холоднокатаного листа и ленты повышенной прочности; различных деталей и конструкций, свариваемых точечной сваркой; труб и изготовления сварной аппаратуры, работающей в средах повышенной агрессивности (растворах азотной, уксусной кислот, растворах щелочей и солей); конструкций свариваемых точечной сваркой; конструкций корпусов кораблей, судов, изделий судовой техники и верфей (трубопроводов, арматуры, обтекателей различной аппаратуры); труб бесшовных горячекатаных обточенных и расточенных, предназначенных для печей и коммуникаций нефтеперерабатыващих заводов.

Сталь 08Х18Н12Т - маломагнитная, коррозионностойкая, стабилизированная хромоникелевая сталь аустенитного класса.

Магнитная проницаемость μ ≤ 1,01 гс/э. Сталь обычно не содержит α-фазы. При неблагоприятном соотношении легирующих элементов и углерода магнитная проницаемость может быть до 1,50 гс/э.

Процентное содержание элементов:

Термическая обработка - эустенизация или стабилизация, горячая обработка давлением и гибка при температурах, праменяемых для горячей деформации не изменяют магнитную проницаемость, а наклеп выше 5-10% при комнатной или пониженных температурах заметно повышает ее.

Сталь 08Х18Н12Т практически не имеет ферритной фазы и обладает более высокой стойкостью к межкристаллитной коррозии, чем сталь 08Х18Н10Т.

В зависимости от назначения, условий работы, агрессивности среды изделия подвергают:

а) закалке (аустенизации);

б) стабилизирующему отжигу;

в) отжигу для снятия напряжений;

г) ступенчатой обработке.

Изделия закаливают для того, чтобы:

а) предотвратить склонность к межкристаллитной коррозии (изделия работают при температуре до 350 °С);

б) повысить стойкость против общей коррозии;

в) устранить выявленную склонность к межкристаллитной коррозии;

г) предотвратить склонность к ножевой коррозии (изделия сварные работают в растворах азотной кислоты);

д) устранить остаточные напряжения (изделия простой конфигурации);

е) повысить пластичность материала.

Закалку изделий необходимо проводить по режиму: нагрев до 1050 - 1100 °С, детали с толщиной материала до 10 мм охлаждать на воздухе, свыше 10 мм - в воде. Сварные изделия сложной конфигурации во избежание поводок следует охлаждать на воздухе.

Время выдержки при нагреве под закалку для изделий с толщиной стенки до 10 мм - 30 мин, свыше 10 мм - 20 мин + 1 мин на 1 мм максимальной толщины.

 При закалке изделий, предназначенных для работы в  азотной кислоте, температуру нагрева  под закалку необходимо держать  на верхнем пределе (выдержка  при этом сварных изделий должна  быть не менее 1 ч).

Стабилизирующий отжиг применяется для:

а) предотвращения склонности к межкристаллитной коррозии (изделия работают при температуре свыше 350 °С);

б) снятия внутренних напряжений;

в) ликвидации обнаруженной склонности к межкристаллитной коррозии, если по каким-либо причинам закалка нецелесообразна.

Стабилизирующий отжиг допустим для изделий и сварных соединений из сталей, у которых отношение титана к углероду более 5 или ниобия к углероду более 8.

Стабилизирующему отжигу для предотвращения склонности к межкристаллитной коррозии изделий, работающих при температуре более 350°С, можно подвергать стали, содержащие не более 0,08 % углерода.

Стабилизирующий отжиг следует проводить по режиму: нагрев до 870 - 900 °С, выдержка 2 - 3 ч, охлаждение - на воздухе.

При термической обработке крупногабаритных сварных изделий разрешается проводить местный стабилизирующий отжиг замыкающих швов согласно стабилизирующему отжигу: нагрев до 870 - 900 °С, выдержка 
2 - 3 ч, охлаждение - на воздухе. При этом все свариваемые элементы должны быть подвергнуты стабилизирующему отжигу до сварки.

При проведении местного стабилизирующего отжига необходимо обеспечить одновременно равномерные нагрев и охлаждение по всей длине сварного шва и прилегающих к нему зон основного металла на ширину, равную двум - трем ширинам шва, но не более 200 мм.

Ручной способ нагрева недопустим.

Для более полного снятия остаточных напряжений отжиг изделий из стабилизированных хромоникелевых сталей проводят по режиму: нагрев до 870 - 900 °С; выдержка 2 - 3 ч, охлаждение с печью до 300 °С (скорость охлаждения 50 - 100 град/ч), далее на воздухе.

Ступенчатая обработка проводится для:

а) снятия остаточных напряжений и предотвращения склонности к межкристаллитной коррозии;

б) для предотвращения склонности к межкристаллитной коррозии сварных соединений сложной конфигурации с резкими переходами по толщине;

в) изделия со склонностью к межкристаллитной коррозии, устранить которую другим способом (закалкой или стабилизирующим отжигом) нецелесообразно.

Ступенчатую обработку необходимо проводить по режиму: нагрев до 1050 - 1100 °С; выдержка согласно п. 7.1.4; охлаждение с максимально возможной скоростью до 870 - 900 °С; выдержка при 870 - 900 °С в течение 2 - 3 ч; охлаждение с печью до 300 °С (скорость- 50 - 100 град/ч), далее на воздухе.

Для ускорения процесса ступенчатую обработку рекомендуется проводить в двухкамерных или в двух печах, нагретых до различной температуры. 
При переносе из одной печи в другую температура изделий не должна быть ниже 900 °С.

Ступенчатую обработку разрешается проводить для изделий и сварных соединений из сталей, у которых отношение титана к углероду более 5 или ниобия к углероду более 8.

Сталь имеет низкие антифрикционные свойства и склонна к образованию задиров, поэтому обычно не применяется в парах трения. Для улучшения антифрикционных свойств производится азотирование по специальным режимам с применением хлористого аммония для удаления окисной пленки.

4. Укажите марки, состав, свойства и способ изготовления  металокерамических твердых сплавов для режущего инструмента.

В настоящее время для производства режущих инструментов широко используются твердые сплавы. Они состоят из карбидов вольфрама, титана, тантала, сцементированных небольшим количеством кобальта. Карбиды вольфрама, титана и тантала обладают высокой твердостью, износостойкостью.

Инструменты, оснащенные твердым сплавом, хорошо сопротивляются истиранию сходящей стружкой и материалом заготовки и не теряют своих режущих свойств при температуре нагрева до 750-1100 °С.

 Установлено что твердосплавным  инструментом, имеющим в своем  составе килограмм вольфрама, можно  обработать 5 в раз больше материала, чем инструментом из быстрорежущей  стали с тем же содержанием  вольфрама.