Контрольная работа по "Технологии". 11

                        План работы

1. С помощью кривых охлаждения построить диаграмму состояний сплавов образующих твёрдые растворы с неограниченной растворимостью.

2. Изменение в структуре стали при полном отжиге. Примеры отжига деталей подвижного состава.

3. По диаграмме состояний железо-цементит ,описать ,какие структурные фазовые превращения будут происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с содержанием углерода 1.3% при температуре 700 с

4. Какие требования предъявляют к жаропрочным конструкциям. Каковы состав, структура, термическая обработка применяемых в газотурбинных установках локомотивов.

5. Выбрать режим термической обработки детали из стали ,указанной марки для получения заданных свойств. На основе диаграммы состояния железо-цементит и построенного графика термической обработки написать о превращениях в структуре стали.

6. Напишите о получении, свойствах и применении пластмасс с листовым наполнителем.

1.   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 ЖР_4,3Л[А_2,14+Ц_6,67]. 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 А_0,8 -> П[Ф_0,03+Ц_6,67].

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 (точкаQ), 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.

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.

Определим для  заданного сплава при температуре 1300^оС состав фаз.

Для определения  состава фаз, лежащего между линиями  ликвидус и солидус, нужно провести через данный температурных уровень линию, параллельную оси концентрации до пересечения с линиями ликвидус и солидус. Тогда проекция точки пересечения этой линии с ликвидусом на ось концентрации укажет количество углерода в жидкой фазе

(т.е. 3% С), точка  пересечения с линией солидус - в составе твердой фазы (1,2% С).

2. Отжиг стали. Отжигом называют вид термической обработки состоящий в нагреве  стали до определенной температуры, выдержке и медленном охлаждении.

Отжигу подвергают сталь, деформированную  в холодном состоянии. Наклеп может  оказаться столь большим, что  сталь становится мало пластичной и  дальнейшая деформация становится невозможной. Для возвращения стали пластичности и возможности дальнейшей деформации изделия проводят рекристализационный отжиг. 

При нагреве холоднодеформированной (наклепанной) стали до температуры 400—450 °С изменений в строении стали не происходит, механические свойства изменяются незначительно и только снимается большая часть внутренних напряжений. При дальнейшем нагреве механические свойства стали резко изменяются: твердость и прочность понижаются, а пластичность повышается.

Это происходит в результате изменения строения стали. Вытянутые в результате деформации зерна становятся равноосными. Рекристаллизация начинается с появления зародышей на границах деформированных зерен. В дальнейшем зародыши растут за счет деформированных зерен, в связи с чем происходит образование новых зерен,   пока   деформмированных зерен совсем не останется. 

Под температурой  рекристаллизации подразумевается температура, при  которой в металлах, подвергнутых деформации в холодном состоянии, начинается образование

В конструкционных сталях общего назначении выделяют строительные и машиностроительные низколегированные стали, а также  улучшаемые, цементируемые стали  и стали повышенной обрабатываемости резанием (автоматные стали).

К конструкционным сталям специального назначения и сталям с особыми  свойствами относятся шарикоподшипниковые, рессорно-пружинные, высокопрочные, коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные, сварочные  и наплавочные стали, стали с  особыми магнитными, электрическими и тепловыми свойствами, котельные, корпусные стали

  3.  Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

  Диаграмма  железо – углерод должна распространяться  от железа до углерода. Железо  образует с углеродом химическое  соединение: цементит –  . Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до , то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего 1.3% углерода.

  Компонентами  железоуглеродистых сплавов являются  железо, углерод и цементит.

1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539^o С 5^o С.

В твердом  состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные  превращения происходят при температурах 911^o С и 1392^o С. При температуре ниже 911^o С существует с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911…1392^o С устойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392^o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное . Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911^oС превращения обозначают точкой , а температуру 1392^o С превращения - точкой А₄.

При температуре  ниже 768^o С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768^o С обозначается А₂.

Железо характеризуется  высоким модулем упругости, наличие  которого проявляется и в сплавах  на его основе, обеспечивая высокую  жесткость деталей из этих сплавов.

  Железо  со многими элементами образует  растворы: с металлами – растворы  замещения, с углеродом, азотом  и водородом – растворы внедрения.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 ⁰С, плотность – 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 ⁰С).

  В сплавах  железа с углеродом углерод  находится в состоянии твердого  раствора с железом и в виде  химического соединения – цементита  (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

3. Цементит (Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

  Аллотропических  превращений не испытывает. Кристаллическая  решетка цементита состоит из  ряда октаэдров, оси которых  наклонены друг к другу.

  Температура  плавления цементита точно не  установлена (1250, 1550^o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217^o С.

  Цементит  имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

  Цементит  способен образовывать твердые  растворы замещения. Атомы углерода  могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа  – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый  раствор на базе решетки цементита  называется легированным цементитом.

  Цементит  – соединение неустойчивое и  при определенных условиях распадается  с образованием свободного углерода  в виде графита. Этот процесс  имеет важное практическое значение  при структурообразовании чугунов. 

Рассмотрим  превращения

  Feα от низких температур до 768°C, эта фаза имеет объемно-центрированную кубическую решетку (о.ц.к), низкую прочность и твёрдость 80 HB, низкий предел текучести, удельный вес 7,8 г/см³, имеет магнитные свойства (ферромагнетик), растворяет углерод 0,006% при 20°C и 0,02% при 727°C. Твёрдый раствор углерода в Feα называется феррит. Свойства феррита близки к свойствам чистого Fe.

 Feβ – о.ц.к., существует от 768°C до 910°C, растворяет углерод в небольших количествах, немагнитен, при 768°C теряет магнетизм, 768°C – точка Кюри, парамагнетик.

  В 910-1400°C существует Feγ, с гранецентрированной кубической решеткой (г.ц.к.), это железо немагнитно, растворяет 2,14% C при 1147°C. Раствор углерода в Feγ называется. аустенит, немагнитен, твёрже феррита, достаточно пластичен.

 Feδ существует в 1400-1539°C. 1539°C – плавление Fe. Переход Feα→Feγ происходит с изменением объёма (1%) (у α больше V). Fe₃C - 6,7% C, твёрдость 800 HB, Fe₃C – цементит, при низких температурах магнитен. Fe₃C→Fe+ Графит. При 1147°C идёт реакция, в результате которой образуется эвтектика: смесь аустенита и цементита – ледебурит. [А+Ц] - 4,3% C. Феррит+цементит – Перлит. [Ф+Ц] – 0,8% C, твёрдость HB 800. Ла – [А+Ц], Лп – [П+Ц], А→П. Из жидкости выделяется Ц_I, из А - Ц_II, из Ф - Ц_III. До 2,14% C – стали, после – чугуны. Сначала жидкость переходит в аустенит, потом происходит переход жидкости в ледебурит аустенитовый (эвтектическая реакция), аустенит переходит в перлит (эвтектоидная реакция), аустенит переходит в феррит.

   4. Классификация по качеству. Легированная сталь подразделяется на качественную (массовое содержание серы и фосфора не более 0,035 % каждого), высококачественную (не более 0,025 % каждого) и особовысококачественную (не более 0,015 % S и 0,025 % P), получаемую при рафинирующих переплавах. Жаропрочность повышают добавлением в сталь тугоплавких элементов, таких как вольфрам, молибден, бор, ниобий, титан.

Термическая обработка легированной стали. Введение большинства их положением для углеродистой стали, поэтому температура нагрева легирующих элементов определяет повышение точек А₁ и А₃ в сравнении с легированной стали для закалки выше. Легированные стали имеют меньшую теплопроводность и требуют замедленного нагрева и более продолжительной выдержки для аустенизации в сравнении с углеродистой сталью. Все легирующие элементы (за исключение кобальта) уменьшают критическую скорость закалки, т. е. увеличивает инкубационный период переохлажденного аустенита («сдвигают» вправо кривые на диаграммах изотермического превращения); это определяет увеличение прокаливаемости заготовок. Карбидообразующие элементы, кроме того, определяют на диаграмме изотермического превращения две области 1 и 3 минимальной устойчивости аустенита и область 2 между ними повышенной его устойчивости. Увеличению устойчивости переохлажденного аустенита обеспечивает возможность получения структуры мартенсита при закалке охлаждением в масле, на воздухе и в горячих средах.

Многие легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита против отпуска, поэтому для достижения требуемой  прочности легированные стали при  отпуске нагревают до более высоких  температур, чем углеродистые.

Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах(до700-950) создаются на основе железа,никеля и кобальта, а для работы при ещё более высоких температурах(1200-1500) – на основе хрома, молибдена и других тугоплавких металлов. На железнодорожном транспорте узлы и детали практически не работают при температурах выше 700 градусах, поэтому сплавы сдесь не рассматриваются.

5. Деталь-валик, марка стали-25, свойства-HR-C40

Бейнит (игольчатый троостит) — смесь высоуглеродистого феррита и цементита. Его твердость — 40 — 55 HRC.

Твердость бейнита возрастает с понижением температуры превращения. Бейнит, образующийся при более низкой температуре (близкой к точке Мн), по сравнению с сорбитом и трооститом имеет более высокую твердость и прочность при сохранении пластичности.

Режим изотермической обработки, обеспечивающий получение твердости 40-46 HRC называется закалкой.

При закалке заэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30—50° выше нижней критической точки Ас1 [Ас1 + (30—50°)], т. е. выше линии SK диаграммы железо — цементит. Так как эта линия горизонтальная и соответствует температуре 727° С, для заэвтектоидной стали можно указать интервал температуры нагрева для закалки 760—790° С. При таком нагреве перлит полностью превращается в аустенит, а часть вторичного цементита остается нерастворенной, структура состоит из аустенита и цементита. После охлаждения со скоростью больше критической аустенит превращается в мартенсит.

 Структура закаленной стали состоит из мартенсита и цементита. Наличие в структуре закаленной заэвтектоидной стали кроме мартенсита еще и цементита повышает твердость и износостойкость стали.

 Время выдержки исчисляется с момента достижения деталями заданной температуры и так же, как и время нагрева, зависит от многих факторов, влияющих на процессы растворения и структурных превращений, происходящих в стали.

 Например, для нагрева, включая и выдержку, круглых деталей из углеродистых сталей при закалке рекомендуются следующие нормы времени: в пламенной печи — 1 мин на 1 мм сечения; в соляной ванне — 0,5 мин на 1 мм сечения. Время нагрева деталей из легированной стали увеличивается на 25—50%.

Охлаждение. Скорость охлаждения стали, нагретой до температуры закалки, оказывает решающее влияние на результат закалки.

 В связи с тем что быстрое охлаждение необходимо только в интервале наименьшей устойчивости аустенита, а при дальнейшем понижении температуры, особенно в мартенситном интервале, быстрое охлаждение не только не нужно, но и нежелательно, наилучшей закалочной средой является та, которая быстро охлаждает в интервале температур 550—650° С (область температур наименьшей устойчивости аустенита), а также в области бейнитного превращения (350—500° С) и медленно — ниже 200—300° С (область температур мартенситного превращения).

 Наиболее распространенными закалочными средами являются вода, водные растворы солей, щелочей и кислот, масло, воздух, расплавленные соли.

6. Неметаллические конструкционные материалы значительно отличаются от металлов по физическим, химическим, механическим и технологическим свойствам; технологические процессы их производства и обработки являются оригинальными и рассматриваются отдельно от способов обработки металлов, хотя и имеют часто одинаковые наименования.

Промышленное производство немыслимо без допусков размеров, а производство машин и механизмов также без принципов взаимозаменяемости, качества поверхностного слоя, обеспечения  установленных посадок сопрягаемых  деталей.

Исходными материалами  для получения пластмасс служат дешевые природные вещества: продукты переработки каменного угля, нефти, природного газа и т. д. На производство пластмасс требуется гораздо  меньше капитальных вложений, чем  на получение цветных металлов.

Основой пластических масс являются смолы - высокомолекулярные соединения органического происхождения. Смолы в чистом виде используются реже.

 Материалы, получаемые при соединении между собой наложенных друг на друга нескольких слоев волокнистых наполнителей (ткани, бумаги, древесины и т. п.), пропитанных синтетическими смолами, называются слоистыми. Слоистые пластмассы выпускают либо в виде полуфабриката, представляющего собой листы наполнителя, пропитанные смолой, либо в виде отпрессованных заготовок: листы, плиты различной толщины, трубы различных диаметров, стержни, диски, либо в виде фасонных изделий. Плиты изготовляют, пропитывая наполнитель смолой и раскраивая его на листы, которые складывают друг с другом в пакеты заранее установленной толщины. Пакет прессуют при давлении 8 - 10 МПа и температуре 140 - 160 °С.

Необходимость предварительно раскраивать листы наполнителя, пропитанного смолой, и собирать пакеты приводит к тому, что из слоистых пластмасс преимущественно формуют  заготовки. Поэтому для слоистых пластмасс механическая обработка  является одним из основных методов  их переработки в изделия. Слоистые пластмассы отличаются анизотропией свойств, особенно это касается механической прочности. Наиболее прочен материал вдоль  нитей основы ткани или волокон  шпона.

Промышленность  выпускает следующие виды слоистых пластмасс: гетинакс, текстолит, асботекстолит, ДСП, стеклотекстолит и др.

   Гетинакс - слоистая пластмасса на основе фенолоформальдегидной смолы и листов бумаги. Гетинакс выпускают марок А, Б, В, Г. Гетинакс марок Д и В имеет повышенные электрические свойства, марок Б и Г - повышенную механическую прочность. Гетинакс выпускают в виде листов толщиной 0,5 - 50 мм, стержней диаметром до 25 мм и трубок различных диаметров. Гетинакс применяют главным образом как электроизоляционный материал. Выпускают также декоративный гетинакс для отделочных работ.

Текстолит - слоистая пластмасса, где в качестве наполнителя используется хлопчатобумажная ткань, в качестве связующего - фенолоформальдегидная смола.

Текстолит обладает относительно высокой механической прочностью, малой плотностью и высокими антифрикционными свойствами, высокой  стойкостью к вибрационным нагрузкам  и хорошими диэлектрическими свойствами. Теплостойкость текстолита 120 - 125 °С. Текстолит  нашел широкое применение как  заменитель цветных металлов для  вкладышей подшипников прокатных  станов, как конструкционный и  поделочный материал в машиностроении, для изготовления направляющих роликов  в самолетах, шестерен в автомобилях  и др. Текстолитовые шестерни в  отличие от металлических работают бесшумно.