Контрольная работа по "Материаловедению". 49

Контрольная работа №1 

Вопрос  №7. Что такое твердый раствор? Виды Твердых растворов, примеры. Какими стандартными характеристиками механических свойств оценивается пластичность металлов и сплавов? Как они определяются? 

Твердые растворы - твердые однородные кристаллические или аморфные фазы переменного состава, состоящие из двух или большего числа компонентов, сохраняющие однородность при изменении соотношений между компонентами (неограниченно или в определенных пределах)" 

Способность образовывать твёрдые растворы свойственна всем кристаллическим твёрдым телам. В большинстве случаев она ограничена узкими пределами концентраций, но известны системы с непрерывным рядом твёрдых растворов (например, Cu—Au, Ti—Zr, GaAs—GaP). По существу, все кристаллические вещества, считающиеся чистыми, представляют собой твёрдые растворы с очень малым содержанием примесей. 

Различают три вида твердых растворов: -

А)твердые  растворы замещения;

Б)твердые  растворы внедрения;

В)твердые растворы вычитания. 

     Твердые растворы замещения образуются, когда один сорт атомов или ионов замещается на другой незакономерно (беспорядочно) размещаясь в одной и той же атомной позиции в кристаллической структуре. Все рассмотренные выше примеры являются примерами твердых растворов замещения. По такому же механизму происходит замещение Fe на Zn в структуре железистого сфалерита - марматита (Zn,Fe)S.

     Твердые растворы внедрения образуются в  результате интерстициальных замещений, когда в структуре минерала имеются значительные пустоты (интерстиции), как, например, в структуре кольцевого силиката - берилла: Be Al Si O . В гексагональные каналы, образуемые кольцами Si O в структуре этого минерала, могут внедряться значительные количества K, Rb, Cs, H2O, обнаруживаемые при химическом анализе образцов.

     Твердые растворы вычитания известны для  дефектных структур, в которых  отдельные структурные позиции заняты не полностью. Появление вакансий связано, как правило, с присутствием ионов переменной валентности (Fe, Mn). Наиболее известным примером этого типа замещений является пирротин (Fe S). Наблюдаемые в этом минерале колебания состава от Fe S до Fe S объясняются тем, что в его кристаллической структуре, образуемой плотнейшей гексагональной упаковкой из атомов серы, часть атомов железа находится в форме Fe , компенсируя недостаток ионов Fe  

     Основными характеристиками механических свойств  металла являются прочность, упругость, пластичность, вязкость, твердость.

     Пластичность  — способность металла деформироваться без разрушения. При растяжении пластические свойства металла характеризуются относительными удлинением и сужением образца, которые взаимосвязаны, так как удлинение образца сопровождается уменьшением площади его поперечного сечения. Относительное удлинение σ — отношение приращения длины образца после разрыва к его начальной длине, выраженное в процентах. Относительное сужение ψ - отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах. 

     Для оценки вязкости металла и установления его склонности к переходу в хрупкое  состояние выполняют ударные  испытания надрезанных образцов на маятниковом копре. При этом характеристикой  вязкости является ударная вязкость KC=A / F , где А - работа, затраченная на разрушение образца; F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

     Методы  определения механических свойств  металлов разделяют на:

     - статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);

     - динамические, когда нагрузка растет  с большой скоростью (испытания  на ударный изгиб);

     - циклические, когда нагрузка многократно  изменяется по величине и направлению (испытания на усталость). 

     Испытание на растяжение:

     При испытании на растяжение определяют предел прочности (σв), предел текучести (σт), относительное удлинение (δ) и относительное сужение (ψ). Испытания проводят на разрывных машинах c использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 1). На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат – значение нагрузки, которая прилагается к образцу.

     Рис. 1

     Предел  прочности (σв) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Pmax/Fo). 

     Испытание на твердость:

     Твердость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела – индентора. Твердость материала определяют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора

     Твердость металла по Бринеллю указывается  буквами НВ и числом. Для перевода числа твердости в систему СИ пользуются коэффициентом К = 9,8 • 106, на который умножают значение твердости по Бринеллю: НВ = НВ • К, Па. 

     Метод определения твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для  сталей с твердостью свыше НВ 450 и  цветных металлов с твердостью более 200 НВ.  

     Для различных материалов установлена  корреляционная связь между пределом прочности (в МПа) и числом твердости  НВ: σв ≈  3,4 НВ - для горячекатаных  углеродистых сталей; σв ≈ 4,5 НВ - для  медных сплавов, σв ≈ 3,5НВ - для алюминиевых  сплавов.  

     Определение твердости методом Роквелла осуществляют путем вдавливания в металл алмазного конуса или стального шарика. Прибор Роквелла имеет три шкалы – А,В,С. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы А и С), а шарик – для испытания мягких материалов (шкала В). В зависимости от шкалы твердость обозначается буквами HRB, HRC, HRA и выражается в специальных единицах. 

     При измерении твердости по методу Виккерса производят вдавливание в поверхность  металла (шлифуемую или полируемую) четырехгранной алмазной пирамиды. Этот метод применяют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, которые имеют высокую твердость (например, после азотирования). Твердость по Виккерсу обозначают HV 

     Испытание на ударную вязкость:

     Ударная вязкость характеризует способность  материала оказывать сопротивление  динамическим нагрузкам и проявляющейся  при этом склонности к хрупкому разрушению. Для испытания на удар изготовляют  специальные образцы с надрезом, которые потом разрушают на маятниковом копре. По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость. Она определяется отношением работы разрушения образца к площади его поперечного сечения и измеряется в МДж/м . 

     Испытание на усталость:

     Усталость – процесс постепенного накопления повреждений материала под действием  повторно-переменных напряжений, которые  приводят к образованию трещин и  разрушений. Усталость металла вызывается концентрацией напряжений в отдельных его объемах (в местах скопления неметаллических и газовых включений, структурных дефектов). Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.  

     Испытания на усталость проводят на машинах для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, или на машинах для испытаний на растяжение-сжатие, или на повторно-переменное скручивание. В результате испытаний определяют предел выносливости, который характеризует сопротивление материала усталости. 

     Предел  выносливости – максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения после базового количества циклов нагружения. 
 

     Вопрос  №17. Вычертите диаграмму состояния железо-карбит железа и укажите на ней температуру закалки стали 55 в воде. Постройте кривую охлаждения образовавшейся структуры.

     Диаграмма железоуглеродистых сплавов может  быть представлена в двух вариантах: метастабильном, отражающем превращения  в системе “железо-карбид железа”, и стабильном, отражающем превращения в системе “железо-графит”. Наибольшее практическое значение имеет диаграмма состояния “железо-карбид железа”, т.к. для большинства технических сплавов превращения реализуются по этой диаграмме.

     Карбид  железа (Fe3C) называют цементитом, поэтому  метастабильную диаграмму железоуглеродистых сплавов называют диаграммой состояния  “железо-цементит” (Fe-Fe3C).

     Температура закалки определяется исходя из массовой доли углерода в стали и соответствующего ей значения критической точки. Практически критические точки выбирают по справочникам или по диаграмме состояния "железо - цементит".

     Выбор температуры нагрева при закалке  углеродистых сталей проводится по левой  нижней части диаграммы железо —  цементит

     Сталь 55 - Сталь конструкционная углеродистая качественная. (Доэвтектоидная)

     Химический состав в % материала сталь 55:

     Температура критических точек материала Сталь 55: 690

     Ac =725, Ac (Ac )=755, Ar (Arc )=750, Ar =690, Mn=320

Диаграмма железо-цементит: 

                                                                        Рис. 2 

     Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30—50° выше верхней критической точки Ас3 [Ас3 + (30—50°)], т. е. выше линии GS диаграммы железо — цементит. Следовательно температура закалки стали 55 ≈ 770-805°С.

     Точка G на рисунке 2.

     При охлаждении в воде и масле, температура  кипения которых ниже температуры  охлаждаемых в них деталей, скорость охлаждения различна в начальном, среднем  и конечном периодах охлаждения и  подразделяется на три стадии: стадия пленочного кипения, стадия пузырчатого кипения, стадия конвективного теплообмена. Режим охлаждения показан на рис.3. Режим охлаждения изотермический (1), полный (2). 

     Рис. 3 

     Изотермический  отжиг- для легированных сталей применяют  изотермический отжиг, состоящий в нагреве выше верхней критической точки А3 область избыточного аустенита, выдержке, охлаждении до температуры ниже нижней критической точки А1, выдержке, достаточной для полного превращения аустенита в перлит, и охлаждении до комнатной температуры.

     Вода  охлаждает гораздо быстрее, чем  масло: в 6 раз быстрее при 550—650°  С и в 28 раз быстрее при 200°  С. Поэтому вода применяется для  охлаждения сталей с большой критической  скоростью закалки (углеродистых сталей), а в масле охлаждают стали  с малой критической скоростью закалки (детали из легированных сталей или высокоуглеродистых сталей при тонких сечениях).

     Изотермический  отжиг- для легированных сталей применяют  изотермический отжиг, состоящий в  нагреве выше верхней критической  точки А3 область избыточного аустенита, выдержке, охлаждении до температуры ниже нижней критической точки А1, выдержке, достаточной для полного превращения аустенита в перлит, и охлаждении до комнатной температуры.

     Полный  отжиг заключается в нагреве  стали на 30—50 °С выше верхней критической точки для полного превращения структуры стали в аустенит и последующем медленном охлаждении до 500—600 °С для образования феррита и перлита. Скорость охлаждения для углеродистых сталей около 50—100 °С/ч. Если охлаждение ведётся на воздухе, происходит нормализация. 
 

Вопрос  №27. Приведите классификацию и маркировку жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов. Назовите области их применения.

     Жаропрочная сталь — это вид стали, который  используется в условиях высоких  температур (от 0,3 части от температуры плавления) в течение определённого времени, а также в условиях слабонапряжённого состояния.

     Главной характеристикой, определяющей работоспособность  стали, является жаропрочность.

     Жаропрочность — это способность стали работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения. Основными характеристиками жаропрочности являются ползучесть и длительная прочность.

     Жаростойкая (окалиностойкая) сталь - это сталь, обладающая стойкостью против коррозионного разрушения поверхности в газовых средах при температурах свыше 550°С, работающая в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

     Жаростойкость (окалиностойкость) стали характеризуется  сопротивлением окислению при высоких температурах. Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами, которые изменяют состав и строение окалины. В результате введения в сталь необходимого количества хрома (Cr) или кремния (Si), обладающих бо́льшим родством с кислородом (O), чем железо (Fe), в процессе окисления на поверхности образуются плотные оксиды на основе хрома или кремния. Образовывающаяся тонкая плёнка из этих оксидов затрудняет процесс дальнейшего окисления. Чтобы обеспечить окалиностойкость до температуры 1100°С в стали должно быть не менее 28% хрома (например сталь 15Х28). Наилучшие результаты получаются при одновременном легировании стали хромом и кремнием.

     Маркировка:

     Пример: 20Х25Н20С2.

     Цифры вначале маркировки указывают на содержание в стали углерода в сотых долях процента.

     Буква без цифры - определённый легирующий элемент с содержанием в стали  менее 1%:

     Х - хром;

     Н - никель;

     С - кремний;

     Т - титан;

     М - молибден.

     Буква и цифра после неё - определённый легирующий элемент с содержанием  в процентах (цифра).

     Жаростойкие стали подразделяются на несколько  групп:

     хромистые стали ферритного класса;

     хромокремнистые стали мартенситного класса;

     хромоникелевые  стали аустенитно-ферритного класса;

     хромоникелевые  аустенитные стали.

     Классификация жаропрочных сталей 

     Классификация жаропрочных сталей и сплавов 

     В качестве современных жаропрочных  материалов можно отметить перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные  стали, никелевые и кобальтоавые жаропрочные сплавы, тугоплавкие  металлы. 

     При температурах до 300 C обычные конструкционные стали имеют высокую прочность, нет необходимости использовать высоколегированные стали. 

     Для работы в интервале температур 350…500 C применяют легированные стали перлитного, ферритного и мартенситного классов. 

     Перлитные жаропрочные стали. К этой группе относятся котельные стали и  сильхромы. Эти стали применяются  для изготовления деталей котельных  агрегатов, паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания. Стали содержат относительно мало углерода. Легирование сталей хромом, молибденом и ванадием производится для повышения температуры рекристаллизации (марки 12Х1МФ, 20Х3МФ). Используются в закаленном и высокоотпущенном состоянии. Иногда закалку заменяют нормализацией. В результате этого образуются пластинчатые продукты превращения аустенита, которые обеспечивают более высокую жаропрочность. Предел ползучести этих сталей должен обеспечить остаточную деформацию в пределах 1 % за время 10000…100000 ч работы. 

     Перлитные стали обладают удовлетворительной свариваемостью, поэтому используются для сварных конструкций (например, трубы пароперегревателей). 

     Для деталей газовых турбин применяют  сложнолегированные стали мартенситного  класса 12Х2МФСР, 12Х2МФБ, 15Х12ВНМФ. Увеличение содержания хрома повышает жаростойкость сталей. Хром, вольфрам, молибден и ванадий повышают температуру рекристаллизации, образуются карбиды, повышающие прочность после термической обработки. Термическая обработка состоит из закалки от температур выше 1000 С в масле или на воздухе и высокого отпуска при температурах выше температуры эксплуатации. 

     Для изготовления жаропрочных деталей, не требующих сварки (клапаны двигателей внутреннего сгорания), применяются  хромокремнистые стали — сильхромы: 40Х10С2М, 40Х9С2, Х6С. 

     Жаропрочные свойства растут с увеличением степени  легированности. Сильхромы подвергаются закалке от температуры около 1000 С и отпуску при температуре 720…780 С. 

     При рабочих температурах 500…700 C применяются стали аустенитного класса. Из этих сталей изготавливают клапаны двигателей, лопатки газовых турбин,сопловые аппараты реактивных двигателей и т.д. 

     Основными жаропрочными аустенитными сталями  являются хромоникелевые стали, дополнительно легированные вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Стали содержат 15…20 % хрома и 10…20 % никеля. Обладают жаропрочностью и жаростойкостью, пластичны, хорошо свариваются, но затруднена обработка резанием и давлением, охрупчиваются в интервале температур около 600 С, из-за выделения по границам различных фаз. 

     Жаропрочные сплавы — металлические материалы, обладающие высоким сопротивлением пластической деформации и разрушению при действии высоких температур и окислительных сред. Начало систематических исследований жаропрочных сплавов приходится на конец 1930-х годов — период нового этапа в развитии авиации, связанного с появлением реактивной авиации и газотурбинных двигателей (ГТД).

     Жаропрочные сплавы могут быть на алюминиевой, титановой, железной, медной, кобальтовой и никелевой основах. Наиболее широкое применение в авиационных двигателях получили никелевые жаропрочные сплавы, из которых изготавливают рабочие и сопловые лопатки, диски ротора турбины, детали камеры сгорания и т. п. В зависимости от технологии изготовления никелевые жаропрочные сплавы могут быть литейными, деформируемыми и порошковыми. Наиболее жаропрочными являются литейные сложнолегированные сплавы на никелевой основе, способные работать до температур 1050—1100 °C в течение сотен и тысяч часов при высоких статических и динамических нагрузках

     Основные  области применения жаропрочной  стали:

     производство  промышленного отопительного оборудования;

     изготовление  лопаток и дисков для газотурбинных двигателей и термостойких деталей для камер сгорания;

     производство  энергетического и химического  оборудования, предназначенного для  работы в условиях повышенных температур;

     создание  трубопроводов, рассчитанных на работу с носителями, отличающимися высокотемпературными рабочими режимами. 
 
 
 
 

Вопрос  №37. Приведите классификацию и укажите технические свойства пластмасс. 

     Пластмассы органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры). Исключительно широкое применение получили пластмассы на основе синтетических полимеров.

       В  основу  классификации   пластмасс  положены   их  физико-механические свойства, структура  и  отношение к  нагреванию.

     В зависимости от входящих компонентов  все пластмассы можно разделить на следующие виды:

     -пресспорошки  —пластмассы с порошкообразными  наполнителями; 

     -волокниты  — пластмассы с волокнистыми  наполнителями (хлопчатобумажные  волокна, стекловолокна, асбестовые  волокна);

     -слоистые  пластики —пластмассы с наполнителями в виде ткани или бумаги (текстолит, стеклотекстолит, гетинакс);

     -литьевые  массы — пластики, обычно состоящие  только из одного компонента  — смолы; эти массы классифицируют  по типу смолы; 

     -листовые  термопластмассы, состоящие из  смолы и небольшого количества пластификатора и стабилизатора (органическое стекло, винипласт). 

     По  виду связующего материала различают: 

     а) фенопласты, в которых в качестве связующего используют фенолоформальдегидные  смолы;

     б) аминопласты, в которых в качестве связующего используют мочевиноформальдегидные и меламиноформальдегидные смолы;

     в) эпоксипласты, в которых в качестве связующего используют эпоксидные смолы  и т. д.

     В зависимости от поведения связующего вещества при нагреве пластмассы разделяют на термореактивные и  термопластичные.

     Термореактивные пластмассы при нагреве до определенной температуры размягчаются и частично плавятся, а затем в результате химической реакции переходят в  твердое, неплавкое и нерастворимое  состояние. Термореактивные пластмассы необратимы: отходы в виде грата и бракованные детали обычно используют после измельчения только в качестве наполнителя при производстве пресспорошков. 

     Термопластичные пластмассы при нагреве размягчаются или плавятся, а при охлаждении твердеют. Термопластичные пластмассы обратимы, но после повторной переработки пластмасс в детали физико-механические свойства их несколько ухудшаются. 

     В зависимости от области применения различают пластмассы: 

     а) общего назначения (пресспорошки);

     б) с высокими диэлектрическими свойствами (полиэтилен, полипропилен, полистирол, гетинакс и др.);

     в) конструкционные (текстолит, стеклотекстолит, стекловолокнит и др.);

     г) обладающие фрикционными свойствами (асботекстолит, асбоволокнит и др.);

     д) обладающие антифрикционными свойствами (волокниты, полиамиды, фторопласт и др.);

     е) химически стойкие (фторопласт, полиэтилен, полипропилен, винипласт и др.);

     ж) теплостойкие (стеклопластики на основе кремнийорганических смол, фторопласты, поликарбонаты и др.);

     з) теплоизоляционные, обладающие низким коэффициентом теплопроводности и малой плотностью (газонаполненные пластмассы — пенопласты, поропласты) и т. д. 

     По  физико-механическим свойствам все  пластмассы разделяют на пластики и  эластики.

     Пластики  бывают жесткие, полужесткие и мягкие. Жесткие пластики — твердые упругие материалы  аморфной структуры с высоким модулем упругости  (свыше 1000 МПа) и малым удлинением   при   разрыве,  сохраняющие  свою  форму  при  внешних напряжениях в условиях нормальной или повышенной температуры. Полужесткие пластики — твердые упругие материалы кристаллической структуры  со средним  модулем  упругости   (выше 400  МПа),  высоким  относительным   и  остаточным   удлинением при разрыве, причем остаточное удлинение обратимо и полностью исчезает при температуре  плавления  кристаллов.  Мягкие пластики — мягкие и эластичные материалы с низким модулем упругости  (не выше 20 МПа), высоким относительным удлинением и малым остаточным удлинением, причем обратимая деформация исчезает при нормальной температуре с замедленной скоростью.