Контрольная работа по «Материаловедение, технология конструкционных Материалов. Сварка и диагностика металла»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФИЛИАЛ

государственного  образовательного учреждения высшего  профессионального образования

«Дальневосточный  государственный  технический университет

(ДВПИ  имени В.В. Куйбышева)»  в г. Петропавловске-Камчатском 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа 

По  дисциплине «Материаловедение, технология конструкционных

Материалов. Сварка и диагностика  металла» 
 
 
 
 

Вариант 1 
 
 
 
 

Кафедра «Промышленной теплоэнергетики и электроснабжения» 
 
 
 
 
 
 

Студент 3 курса         Руководитель

Факультета заочного обучения          доцент

Специальности «ПТЭЗС-08»             Трибунская Р.М.

Сапрыкин  Р.В. 
 
 

г.Петропавловскс-Камчатский  2010г. 

Задания

1. Опишите основные  типы кристаллических  решеток металлов. Начертите эти  элементарные ячейки, укажите их параметры, координатное число. Приведите металлы, которые имеют каждый из указанных типов кристаллических решеток.

       Все металлы, затвердевающие в  нормальных условиях, представляют  собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в  них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка. Кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело. Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

·  размеры  рёбер элементарной ячейки. a, b, c –  периоды решётки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются  строго определёнными.

·  углы между  осями .

·  координационное  число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

·  базис решетки  количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

·  плотность  упаковки атомов в кристаллической  решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74)

Всего для кристаллических  тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;

· примитивный  – узлы решетки совпадают с  вершинами элементарных ячеек;

·  базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек  и два места в противоположных  гранях;

·  объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;

·  гранецентрированный  – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней 
 

Основными типами кристаллических решёток являются:

1.    Объемно  - центрированная кубическая (ОЦК), атомы  располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, Cr, )

2.    Гранецентрированная  кубическая (ГЦК) атомы располагаются  в вершинах куба и по центру  каждой из 6 граней (Ag, Au,Al,Cu,Fe  )

3.    Гексагональная, в основании которой лежит  шестиугольник(Co, Mg, Zn,):

     а.   простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);

     в.   плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк). 

2. Алюминий и сплавы на его основе. Свойства, маркировка, применение.

     Алюминий  второй (после железа) металл современной  техники. Наиболее важное свойство алюминия, определяющее его широкое применение, - это его плотность, равная 2,7 г/см3 (т.е. алюминий почти в 3 раза легче  железа), а также хорошая электрическая  проводимость, составляющая 65 % электрической проводимости меди. Кроме того, алюминий имеет высокие теплопроводность и теплоемкость, химически стоек против органических кислот и хорошо сопротивляется воздействию азотной кислоты. Он очень быстро окисляется на воздухе, покрываясь тонкой пленкой оксида, которая, в отличие от железа, не пропускает кислород в толщу металла, делая его стойким против коррозии. Температура плавления алюминия 660 С, температура кипения 2500 С. Предел прочности при разрыве составляет 90-180 МПа. Он имеет очень высокую пластичность. Однако чистый алюминий трудно обрабатывается резанием, а также имеет значительную линейную усадку. Для устранения этих отрицательных свойств в алюминий вводят различные добавки, поэтому широко распространены сплавы алюминия. Алюминий – наиболее распространенный металл в земной коре (8,8%), в чистом виде он не встречается, зато много минералов содержащих его.

Марки алюминиевых  сплавов:

А0, А5, А6, А7, А8, А999, АВ, АВ87, АД, АД0, АД00, АД1, АД31, АК4, АК4-1, АК6, АК8, АМг, АМг2, АМг3, АМг5, АМг6, АМц, В65, В95, Д1, Д16, Д18, 1915, 1925, 1961, АК5М2, АК7, АК7М2, АК8, АК9, АК12 и др.

Условные обозначения  сплавав

Алюминиевые сплавы представляют собой двойные, тройные  и более сложные системы с  различной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Для упрощения маркировки в обозначении некоторых сплавов, кроме алюминия, с помощью букв отражается еще один элемент (основной компонент), а цифрами - его процентное содержание;

АМц - алюминиево-марганцевый  сплав.

АМг - алюминиево-магниевый.

АВ - алюминиево-кремниевый (авиаль).

Д - дуралюмин.

В - высокопрочный  сплав.

В маркировке сплавов  после цифр могут быть еще буквы, которые обозначают состояние поставки проката или листа, то есть вид  механической или термической обработки металла.

Термически не упрочняемые алюминиевые сплавы

а) Алюминиево - марганцевый сплав АМц

Содержит 1-1,6%. марганца. Сплав имеет низкий предел прочности - 11-17 кг/мм2. Сваривается. Как правило, используется для ограждающих  конструкций.

б) Алюминиево-магниевый сплав АМг-6Т. По стойкости против коррозии алюминиево-магниевые сплавы занимают первое место после технически чистого алюминия. Хорошо свариваются. Применяются для листовых и для сварных стержневых конструкций. Наибольшее распространение из алюминиево-магниевых сплавов получил в строительстве сплав АМг-6Т, который содержит около 6% магния и до 0,2% титана (что в марке сплава обозначено буквой Т). Предел прочности АМг-6Т -32 кг/мм2 и относительное удлинение- 15%.

- Может  быть рекомендован для изготовления ответственных сварных конструкций, так как при сварке теряет прочность незначительно. Общими свойствами группы термически необрабатываемых сплавов являются: невысокая прочность и хорошая свариваемость. Для повышения прочности листов, изготовляемых из сплавов этой группы, применяется полунагартовка.

Термически обрабатываемые алюминиевые сплавы

а) Дуралюмины

Из всех алюминиевых сплавов наибольшее распространение получили дуралюмины благодаря их высокой прочности. Это термически упрочненные сплавы: Д1-Т, Д6-Т, Д-16-Т. Они характеризуются большим содержанием меди (4-5%). В меньших количествах в них входят магний и марганец. Техническими условиями проектирования конструкций из алюминиевых сплавов рекомендован к применению в строительстве высокопрочный сплав Д16-Т, как наиболее экономичный. Его предел прочности - до 49 кг/мм2, относительное удлинение - 10%. Расчетные сопротивления Д16-Т превосходят характеристики стали 3 и близки к сталям повышенного качества (см. приложение I, табл. 1). Одним из недостатков дуралюминов является меньшая по сравнению с другими сплавами стойкость против коррозии. Поэтому конструкции, выполненные из дуралюмина, следует окрашивать.

б) Алюминиево-кремниевый  сплав АВ-Т1 (авиаль)

В состав сплава входят кремний, магний, марганец и медь - всего от 2 до 3%. В отличие от других компонентов кремний не образует соединения с алюминием. Здесь возникает соединение кремния с магнием, которое имеет высокую прочность и малую пластичность. Это соединение рассматривается на диаграмме состояний сплава как основной компонент. Растворимость соединения в алюминии ограничена, поэтому возможно получение пересыщенного твердого раствора и, следовательно, возможна термическая обработка сплава. Предел прочности АВ-Т1 - 33 кг/мм2. В этом отношении этот сплав приближается к стали. Рекомендуется применять его для ответственных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных условиях.

в) Высокопрочные  сплавы В65, В95, В96

В состав этих сплавов входят медь, цинк и  другие легирующие элементы. По прочности  данные сплавы выше низколегированных сталей. Но пока высокопрочные сплавы дороги и в строительстве могут быть использованы лишь для специальных целей. В качестве недостатка этих сплавов отмечается понижение прочности металла при нагревании их до 150°. Сплав В65-Т применяется для изготовления заклепок.

3.Для чего применяется отжиг после наклепа холоднокатаных прутков, стали ст3. Выберите режимы отжига.

      Применяется для сплавов предварительно подвергнутых холодной пластической деформации с целью устранения строчечной структуры. 
 

4. Механические свойства конструкционных сталей при низких температурах

     Стали, из которых изготовляют детали, узлы машин, механизмы, строительные конструкции, газа- и нефтепроводы, оружие и военную  технику, обрабатывающие станки, экскаваторы, морские суда, бытовую технику и многое другое, называются конструкционными.

Основными принципами при выборе марки конструкционной  стали являются следующие показатели:

1. Наличие концентраторов  напряжений, динамических нагрузок  и пониженных температур определяет необходимость легирования элементами, снижающими температуру перехода в хрупкое состояние, например, никелем.

2. Выбор марки  стали (степени легированности) определяется  размером термически обрабатываемых  заготовок (прокаливаемостью).

3. Уровень требуемой прочности достигается термической обработкой.

     Хладноломкость  сталей

С понижением температуры  эксплуатации показатели пластичности и ударной вязкости данных сталей понижаются. Таким образом, сталь при низких температурах может переходить в хрупкое состояние и склонна к разрушениям, особенно при работе с динамическими нагрузками. При неправильном выборе стали для эксплуатации при низких температурах имели случаи катастрофических разрушений газопроводов (Аляска), кранов и экскаваторов (Якутия), транспортных машин (Таймыр) и др.Критерием работоспособности сталей при низких температурах является порог хладноломкости – температура перехода стали из вязкого в хрупкое состояние.

Например, если силовой редуктор работает на предприятии  при 20С, шестерню можно изготовить из стали 40, а если коробка передач работает в Якутии (до –60С), шестерни надо изготавливать из стали 40ХНМА.Кроме того, чем меньше размер зерна в стали, тем ниже порог хладноломкости. Чтобы предотвратить хрупкие разрушения деталей, работающих при динамических нагрузках, да еще при пониженных температурах, необходимо выбирать никель - и молибденсодержащие стали, а термической обработкой обеспечивать получение мелкозернистой структуры. Кроме того, количество вредных примесей (S, Р) должны быть в этой стали минимальными. В этом смысле сталь 40ХНА лучше стали 40ХН, а сталь 4ХНМА лучше, чем сталь 40ХНМ.

5.Задание: 

      5.1 Вычертите диаграмму состояния железо - углерод, опишите ее, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы: 

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1% заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого  раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3 Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита. Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит + ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный) + ледебурит. Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита. Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита. Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом. В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8→П[Ф0,03+Ц6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости  углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который  называется третичным цементитом. Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точка Q), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит + цементит третичный и называются техническим железом. Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен. В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

5.2 Отметьте на диаграмме сплав, содержащий 3,6 % С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется? 

     Сплав железа с углеродом, содержащий 3,6% С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре – перлит + цементит + ледебурит.

3. Постройте кривую охлаждения (в интервале температур от 1600ºС до 18ºС) применяя правило фаз Гиббса, опишите происходящие процессы.

5.4 Определяем количественное соотношение фаз и содержание углерода в фазах при температуре 1050 С, применяя правило отрезков коноды. 

Правило фаз  устанавливает зависимость между  числом степеней свободы, числом компонентов  и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф,

где С – число  степеней свободы системы;

К – число  компонентов, образующих систему;

1 – число  внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф – число  фаз, находящихся в равновесии. 
 
 

1. C=2+1-1=2
2. C=2+1-2=1
3. C=2+1-3=0
4. C=2+1-2=1
5. C=2+1-3=0
6. C=2+1-2=1

Отрезок:

ав=23  А`=1.75

вс=37  B`=6.67

ас=60

Qж= %

Qа= %

Qж+Qа=99.9% 

Хж=

     100%ж-  С` %C Хж= =

      Qж%    - Хж%С

Ха=

      100%А-   А` %C Ха=

      Qa%     -  Ха%С

Хж+Ха  
 
 

6. Проведите сравнительный анализ Стали 08 и Стали 45

6.1 Процентное содержание  углерода:

Ст 08= 0,08 %С

Ст45=0,45%С

6.2 Класс по структуре  и процентному  содержанию углерода:

Ст08 Структура: До эвтектоидные, Перлит Феррит “Конструкционные”

По содержанию углерода: Малоуглеродистые (свариваемость хорошая)

Ст45 Структура: До эвтектоидные,  Перлит Феррит “Конструкционные”

По содержанию углерода: Среднеуглеродистые (свариваемость  удовлетворительная)

6.3 Схемы микроструктур:

Ст08 (рис.1) 

Рис.1

Ст45 (рис.2) 

Рис.2

6.4 Механические свойства:

6.5 Область применения:

Сталь08: детали, изготовляемые холодной штамповкой и холодной высадкой, трубки, прокладки, крепеж, колпачки. Цементируемые и цианируемые детали, не требующие высокой прочности сердцевины (втулки, валики, упоры, копиры, зубчатые колеса, фрикционные диски)

Сталь45: детали, от которых требуется повышенная прочность (коленчатые валы, шатуны, зубчатые венцы, распределительные валы, маховики, зубчатые колеса, шпильки, храповики, плунжеры, шпиндели, фрикционные диски, оси, муфты, зубчатые рейки, прокатные валки и др.)

7. По эскизу разработать деталь:

А) Технология получения  заготовки:

Сущность литейного  производства заключается в получении  отливок – литых металлических  изделий путём заливки расплавленного металла в специальную литейную форму, в которой он, остывая, затвердевает и сохраняет её очертания.

1. Литейная технологическая оснастка

Для изготовления литейной формы применяют большое  число различных приспособлений, которые называют литейной оснасткой. В её состав входят модели, подмодельные плиты, стержневые ящики, опоки и  др.

Модели –  приспособления, при помощи которых  в формовочной смеси получают отпечатки полости, соответствующие наружной конфигурации отливки. Отверстия и полости внутри отливки, а также иные сложные контуры образуют при помощи стержней, устанавливаемых в формы при их сборке. 

Размеры модели делают больше, чем соответствующие размеры отливки, на величину линейной усадки сплава. Если отливки подвергаются механической обработке, то в соответствующих размерах модели учитывают размер припусков – слоя металла, удаляемого при механической обработке. Он зависит от размеров отливки и вида сплава. Припуск на верхние поверхности отливки должен быть больше, чем на нижние и боковые поверхности т.к. на верху скапливаются шлаки, частички формовочной смеси и газовые включения.

Отверстия небольших  размеров, полученные литьем, трудно очистить от спёкшейся внутри стержневой смеси, которая отрицательно влияет на стойкость режущего инструмента при последующей механической обработке. Поэтому литьём следует выполнять отверстия, диаметр которых превышает 25 – 30 мм.

Чтобы легче  удалить модель из формы, поверхности её расположенные параллельно направлению движения при извлечении из формы, выполняют с формовочными уклонами, зависящими от высоты отливки. Без уклонов при извлечении модели может быть разрушение формы и осыпание формовочной смеси.

Для получения  в форме отпечатков знаковых частей стержней, которыми стержень крепится в форме, модель имеет знаки –  выступающие части. Сопряжение стенок в отливках должны быть плавными, без  острых углов. Скругление внутренних углов  называется галтелью, наружных – закруглением.

Модели делают из древесины, металлических сплавов  и пластмасс. Деревянные модели изготавливают  из плотной хорошо просушенной древесины (сосна, ясень, бук и др.). Для предотвращения коробления модель делают не из целого куска древесины, а склеивают из отдельных брусочков так, чтобы направление волокон было различным. Преимущество деревянных моделей – дешевизна, простота изготовления, небольшая масса; основной недостаток – недолговечность.

Металлические модели имеют значительно большую долговечность, высокую точность и чистую рабочую поверхность. Такие модели чаще всего делают из алюминиевых сплавов, которые имеют малую плотность, не окисляются, хорошо обрабатываются резанием.

Модели из пластмасс  устойчивы к действию влаги, не подвергаются короблению, имеют небольшую массу. Перспективным является применение моделей из вспененного полистирола, газифицирующегося при заливке металла и их не надо вынимать из формы перед заливкой. 

Стержневые ящики  служат для изготовления стержней и  должны обеспечивать равномерное уплотнение смеси и быстрое извлечение стержня. Как и модели, они имеют уклоны; при назначении размеров ящика учитывают усадку сплава и припуск на обработку. Стержневые ящики делают из тех же материалов, что и модели, а по конструкции неразъёмными (вытряхными) и разъёмными.

Опоки – прочные  металлические рамы различной формы  предназначены для изготовления литейных полуформ из формовочных смесей. Их изготовляют из серого чугуна, стали, алюминиевых сплавов и могут  быть литыми, сварными или сборными из отдельных литых частей. Стенки опоки часто делают с отверстиями для уменьшения их массы, удаления газов из формы и для лучшего скрепления формовочной смеси с опокой. Соединяют опоки штырями и центрирующими отверстиями в приливах. Для скрепления опок применяют скобы или другие приспособления.

2. Формовочные  и стержневые смеси

В литейном производстве наиболее распространено получение  отливок в разовых формах, изготовленных  из песчано-глинистых и других смесей. Разовая форма пригодна для получения только одной отливки. При выемке (выбивке) готовой детали форму разрушают.

Формовочные и стержневые смеси должны обладать определенными механическими, технологическими и теплофизическими свойствами, основными из которых являются: прочность, поверхностная прочность, пластичность, податливость, непригораемость, газопроницаемость и др.

Прочность –  способность смеси обеспечивать сохранность формы (стержня) без  разрушения при её изготовлении и  использовании. Формы не должны разрушаться  от толчков при сборке и транспортировке, выдерживать давление заливаемого металла.

Поверхностная прочность (осыпаемость) – сопротивление  истираю-щему воздействию струи  металла. Если она недостаточна, то происходит отделение частиц формовочной  смеси, которые попадают в отливку.

Пластичность  – способность смеси воспринимать очертания модели (стержневого ящика) и сохранять полученную форму.

Податливость  – способность смеси сокращаться  в объёме под действием усадки металла. При недостаточной податливости в отливке возникают напряжения, которые могут привести к образованию трещин. 

Непригораемость – способность смеси выдерживать высокую температуру заливаемого сплава без оплавления и химического с ним взаимодействия. Плёнки пригара ухудшают качество поверхности и затрудняют последующую обработку. При оплавлении смеси резко снижается её газопроницаемость.

Газопроницаемость – способность смеси пропускать газы через стенки формы вследствие пористости. В расплавленном металле  всегда содержатся растворённые газы, выделяющиеся при его охлаждении и затвердевании. Большое количество водяных паров и газов выделяется также из самих формовочных материалов при их нагревании. При недостаточной газопроницаемости в теле отливки могут образоваться газовые пузыри – раковины.

Для приготовления  формовочных и стержневых смесей используют как природные, так и искусственные материалы. Песок – основной исходный материал смесей. Наиболее часто применяют кварцевый песок, в основном состоящий из кремнезема, обладающего высокой прочностью, твёрдостью, огнеупорностью tпл = 1713 оС. Мелкозернистые пески используют для мелкого литья, что обеспечивает получение гладкой поверхности отливок. Для крупных отливок применяют крупнозернистые пески, обеспечивающие более высокую газопроницаемость формовочной смеси.

Реже для формовочных смесей применяют цирконовый песок tпл = 2000 оС, хромит (хромистый железняк) tпл = 1850 оС и некоторые другие материалы. Они превосходят кварцевый песок по термохимической устойчивости, теплопроводности, но они более дороги; их используют в особо ответственных случаях, например, для получения крупных стальных отливок с чистой поверхностью.

Глина – второй основной исходный материал в формовочных  смесях. Она является связующим веществом, обеспечивающим их прочность и пластичность. На практике наиболее широко используют каолинитовые или бентонитовые глины. В присутствии влаги на поверхности глинистых частиц образуются гидратные оболочки из молекул воды, которые обеспечивают сцепление частиц и вместе с тем лёгкое скольжение между ними. Чем больше глина удерживает на поверхности воды, тем выше её связующая способность, а также и пластичность формовочной смеси. При нагревании (сушке) по мере удаления влаги прочность смеси возрастает.