Котрольная работа по "Материаловедению"

Содержание 

Вопрос  №1-3.       Опишите классификацию металлов и их применение в

народном  хозяйстве………..………….…………………….3

Вопрос  № 2-147. Какие происходят процессы, как изменяется структура,

физические  и механические свойства металлов при  холодной обработке давлением…………………………….6

Вопрос  №3-144. Опишите особенности технологии изготовления отливок деталей из медных сплавов. Укажите область их применения…………………………………………..……..10

Список  использованной литературы…………………………………………...14 

      Вопрос № 1-3. Опишите классификацию металлов и их применение в народном хозяйстве 

     Каждый  металл отличается строением и свойствами от другого, тем не менее, по некоторым  признакам их можно объединить в  группы.  Данная классификация разработана  русским ученым Гуляевым А.П. и может  не совпадать с общепринятой.

       Все металлы можно разделить  на две большие группы –  черные и цветные металлы. 

       Черные металлы чаще всего  имеют темно-серый цвет, большую  плотность (кроме щелочно-земельных), высокую температуру плавления,  относительно высокую твердость. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

       Цветные металлы чаще всего  имеют характерную окраску: красную,  желтую и белую. Обладают большой  пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой  плавления. Наиболее типичным элементом этой группы является медь.

       Черные металлы в свою очередь  можно подразделить следующим  образом: 

     1. Железные металлы – железо, кобальт,  никель (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам  марганец. Co, Ni, Mu часто применяют  как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

     2. Тугоплавкие металлы, температура  плавления которых выше, чем железа (т.е. выше 1539С). Применяют как добавки  к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов. К ним относят: Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Tc (технеций), Hf (гафий), Ta(тантал), W, Re (рений).

     3. Урановые металлы – актиниды, имеющие преимущественное применение  в сплавах для атомной энергетики. К ним относят: Ас(актиний), Th(торий), U(уран), Np(нептуний), Pu(плутоний), Bk(берклий), Cf (калифорний), Md(менделевий), No(нобелий) и др.

     4. Редкоземельные металлы (РЗМ)  – La(лантан), Ce(церий), Nd(неодим), Sm(санарий), Eu(европий), Dy(диспрозий), Lu(лютеций), Y(иттрий), Sc(сландий) и др., объединяемые под названием лантаноидов. Эти металлы обладают весьма близкими химическими свойствами, но довольно различными физическими. Их применяют как присадки к сплавам других элементов. В природных условиях они встречаются вместе и трудно разделимы на отдельные элементы. Обычно используется смешанный сплав – 40–45% Се (церий) и 40–45% всех других РЗМ.

     5. Щелочноземельные металлы – в  свободном металлическом состоянии  не применяются, за исключением  особых случаев, например, теплоносители в атомных реакторах. Li(литий), Na, K(калий), Rb(рубидий), Cs(цезий), Fr(франций), Ca(кальций), Sr(стронций), Ba(барий), Ra(радий).

       Цветные металлы подразделяются  на:

      1. Легкие металлы – Ве(берилий), Mg(магний), Al(аллюминий), обладающие малой плотностью.

      2. Благородные металлы – Ag(серебро), Pt(платина), Au(золото), Pd(палладий), Os(осмий), Ir(иридий), и др. Сu – полублагородный  металл. Обладают высокой устойчивостью  против коррозии.

      3. Легкоплавкие металлы – Zn(цинк), Cd(кадмий), Hg(ртуть), Sn(олово), Bi(висмут), Sb(сурьма), Pb(свинец), As(мышьяк), In(индий) и т.д., и элементы с ослабленными металлическими свойствами – Ga(галий), Ge(германий).

     Из  металлов особое значение имеет железо: в общемировом производстве металлов свыше 90 % приходится на железо и его сплавы. Широкое применение черных металлов в различных областях техники объясняется их ценными физическими и механическими свойствами, а также и тем, что железные руды широко распространены в природе, а производство чугуна и стали сравнительно дешево и просто.

     Объем производства черных металлов в значительной степени определяет уровень технического развития той или иной страны. Современное  машиностроение является основным потребителем производимых металлургической промышленностью металлов. В любой отрасли машиностроения – тяжелом машиностроении, станкостроении, судостроении, автомобильной и авиационной промышленности, электронике и радиотехнике из черных металлов изготовляют огромное число деталей машин и приборов. Значительная доля черных металлов потребляется современным промышленным и гражданским строительством.

     Большое значение в современной технике  имеют и цветные металлы, которые  широко применяют во всех отраслях народного хозяйства: в машиностроении, самолетостроении, радиомеханике и электронике. Все большее производство и применение цветных металлов в технике объясняется их физико-механическими и другими свойствами, которыми не обладают черные металлы и сплавы. Металлы в чистом виде применяются очень редко, за исключением меди и алюминия. Эти металлы используются в основном в электротехнической промышленности, как проводники электрического тока. Чистые металлы широко используются как компоненты (легирующие элементы) для получения сплавов. К таким металлам относятся медь, алюминий, магний, никель, титан, вольфрам, а также бериллий, германий, кремний.

     Благородные металлы свое название получили из-за высокой коррозионной стойкости. Эти металлы пластичны. Имеют высокую стоимость. Применяют в ювелирном и зубоврачебном деле. Чистое золото из-за его мягкости не применяют. Для повышения твердости золото легируют (добавляют другие элементы). Обычно используются тройные сплавы: Au – Ag – Cu.  
 

      Вопрос № 2-147. Какие проходят процессы, как изменяется структура, физические и механические свойства металлов при холодной обработке давлением 

     Обработка металлов давлением основана на их пластической деформации под действием внешних сил, в результате которой металлическая заготовка приобретает определенную форму и размеры. В ходе пластической деформации зерна измельчаются, структура металла в целом улучшается и, как следствие, улучшаются механические свойства.

     Обработке металлов давлением поддаются только пластичные металлы и сплавы, а хрупкие (например, марганец, чугун) пластически не деформируются и поэтому к ним обработку давлением не применяют. Пластичность металлов (и сплавов) при нагревании повышается, поэтому некоторые металлы и сплавы (например, свинец, алюминий, однофазная латунь) обычно подвергают обработке давлением в холодном состоянии, другие (например, сталь) – как в холодном, так и в горячем состоянии. При обработке металлов давлением большая часть имеющихся в отливке микротрещин, пор и газовых раковин завариваются. В результате повышается плотность металлов, улучшается также их структура — становится мелкозернистой с размерами кристаллитов от сотых до десятых долей миллиметра, в результате существенно улучшаются механические свойства. При этом образуется волокнистая структура с выраженной анизотропией механических, магнитных и электрических свойств. Заготовки, получаемые обработкой давлением для последующей механической обработки, называют поковками.

     Если при упругих деформациях деформируемое тело полностью восстанавливает исходные форму и размеры после снятия внешних сил, то при пластических деформациях изменение формы и размеров, вызванное действием внешних сил, сохраняется и после прекращения действия этих сил.

     Упругая деформация характеризуется смещением атомов относительно друг друга на величину, меньшую межатомных расстояний, и после снятия внешних сил атомы возвращаются в исходное положение. При пластических деформациях атомы смещаются относительно друг друга на величины, большие межатомных расстояний, и после снятия внешних сил не возвращаются в свое исходное положение, а занимают новые положения равновесия.

     В зависимости от температурно-скоростных условий деформирования различают холодную и горячую деформацию.

     При холодной обработке металлов давлением в результате пластической деформации зерна (и блоки в них) измельчаются и вытягиваются в направлении наибольшего течения металла (рис. 1, а – в), а

     Рис. 1. Структура и механические свойства стали (С = 0,09%) в зависимости от степени деформации (обжатия) φ, %: а – до деформации; б – φ = 35%; в – φ = 90%; г – зависимость и δ от φ; д – зависимость твердости по Виккерсу НV от φ.

кристаллическая решетка искажается (деформируется): в ней увеличиваются дефекты — возрастает плотность дислокаций и концентрация вакансий. Происходит упрочнение металла, называемое наклепом. Наклеп всегда образуется при холодной обработке металлов давлением. Наклеп повышает твердость и предел прочности на разрыв металлов, но снижает относительное удлинение перед разрывом δ (пластичность) и вязкость (см. рис. 1, г, д), несколько понижает удельную электропроводность γ и коррозионную стойкость. Чтобы металл не разрушался при дальнейшей деформации, на определенной стадии обработки металлов давлением наклеп снимают рекристаллизационным отжигом. При отжиге стали, начиная от температуры 550°С и выше, вытянутые в результате деформации зерна становятся равноосными. Они (и блоки в них) укрупняются, одновременно снижаются внутренние напряжения и значительно выпрямляется кристаллическая решетка. В результате повышаются удельная электропроводность γ и пластичность при некотором снижении твердости и предела прочности на разрыв  . Рекристаллизационный отжиг уменьшает плотность дислокаций (с 10¹⁰— 10^й см^-2 до 10⁶—10⁸ см^-2). Температура рекристаллизационного отжига углеродистой стали зависит от ее состава и составляет . Для меди наилучшей является температура примерно 500— 700 °С (температура начала заметного отжига равна ~200°С), алюминия – = 330 – 370 °С (начало заметного отжига при ~150°С). В общем виде для металлов . В зависимости от температуры и времени отжига, степени деформации φ, природы металла и т. д. величина зерна может уменьшиться или увеличиться. При уменьшении зерна существенно улучшаются механические свойства, но увеличивается ρ. При укрупнении зерна у электротехнических сталей и технического железа улучшаются магнитные свойства.

     Таким образом, при холодной обработке металлов давлением формоизменение сопровождается изменением механических и физико-химических свойств металла. Изменение механических свойств состоит в том, что при холодной пластической деформации по мере ее увеличения возрастают характеристики прочности, в то время как характеристики пластичности снижаются. Металл становится более твердым, но менее пластичным. Изменения, внесенные холодной деформацией в структуру и свойства металла, не необратимы. Они могут быть устранены, например, с помощью термической обработки (отжигом).

     Обработка металлов давлением дает возможность получить изделие, которое получает окончательную  форму после дополнительной обработки, или готовое изделие, не нуждающееся  в дальнейшем изменении размеров. Обработка давлением обеспечивает массовое производство деталей одинакового размера с минимальными затратами времени и труда. Этот вид обработки имеет ряд существенных преимуществ перед другими способами в отношении производительности и экономии металла, поскольку в результате однократного приложения усилия можно значительно изменить форму и размеры деформируемой заготовки. Кроме того, пластическая деформация сопровождается изменением физико-механических свойств металла, заготовки, что можно использовать для получения деталей с наилучшими эксплуатационными свойствами (прочностью, жесткостью, высокой износостойкостью и т.д.) при наименьшей их массе.

     К основным способам обработки металлов давлением относятся  процессы прокатки, волочения, прессования (выдавливания), свободной ковки, горячей и холодной объемной штамповки, а также листовой или холодной штамповки. 

      Вопрос №3-144. Опишите особенности технологии изготовления отливок деталей из медных сплавов. Укажите область их применения 

     Медные сплавы применяют для отливок, которые должны обладать некоторыми из следующих свойств: износоустойчивостью, стойкостью в атмосфере, кислотах и щелочах, в пресной или морской воде, при достаточно высоких механических свойствах.

     Медные сплавы отличаются значительной усадкой, сравнительно легко окисляются с образованием на поверхности пленки окислов, а бронзы имеют большую склонность к ликвации. Поэтому во избежание спаев и неслитин должно быть обеспечено плавное заполнение и хорошее питание отливок. При литье деталей из медных сплавов (бронзы, латуни) часто в форме располагают большое количество отливок, соединенных питателями с одним стояком.

     Для отливок из оловянистой бронзы и латуни применяют различный подвод питателей (снизу, сверху и сбоку). Для алюминиевой бронзы подводят металл в нижнюю часть отливки с учетом сильной окисляемости и увеличенной усадки этого сплава. Практикуют также устройство зигзагообразного или ступенчатого стояка для более плавной заливки металла.

     Для улучшения питания на отливке устанавливают массивные прибыли и питающие выпоры, подвод металла осуществляют в массивную часть отливки.

     При плавке медных сплавов в металлическую шихту вводят техническую медь, лом красной меди, лом бронзы и латуни и отходы литейного производства (литники, прибыли и брак). Лом предварительно переплавляют и разливают на чушки. Этот металл в технике получил название вторичного металла. Для введения в сплав отдельных составляющих используют чистые металлы или лигатуры, а для раскисления сплавов применяют раскислители.

     Лигатурами называют сплавы металлов, у которых температура плавления ниже температуры плавления тугоплавких компонентов, которые необходимо ввести в данный сплав. В современной практике применяют преимущественно двойные или реже тройные лигатуры. Для примера приводим химический состав двойной лигатуры: 50% Сu и 50% Аl, имеющей температуру плавления 575—600°.

     Раскислители служат для восстановления окислов составляющих сплава. В качестве раскислителя для некоторых медных сплавов применяют фосфористую медь (90% Сu и 10% Р).

     Флюсы применяют для предохранения сплава от окисления и для отделения неметаллических примесей, попадающих в металл. Для предохранения латуни от окисления применяют флюсы, состоящие из таких материалов, как стекло, поваренная соль, гипс, плавиковый шпат, хлористый барий, бура и др.

     Плавильные печи. Для плавки медных сплавов применяют пламенные и электрические печи — дуговые и индукционные. На рис. 2 представлены схемы плавильных печей для плавки медных сплавов. Пламенные печи постепенно вытесняются электрическими, так как при плавке в электропечах происходит меньший угар металла.

     Рис. 2. Плавильные печи для плавки меди: а – дуговая электропечь; б – индукционная электропечь с сердечником.

     В дуговых электроплавильных печах (рис. 2, а) бронза расплавляется при помощи электрической дуги, возникающей между двумя графитовыми электродами 1 в рабочем пространстве печи. При расплавлении шихты печь покачивают, что способствует перемешиванию металла и ускорению плавки.

     Индукционная печь (рис. 2, б) с металлическим сердечником 1 может работать только при наличии кольца 2 из жидкого металла вокруг первичной катушки. Поэтому расплавленный металл выливают из печи неполностью. В оставшейся части жидкого металла индуктируется переменный ток, который превращается в тепловую энергию и расплавляет загружаемые в печь шихтовые материалы. Эти печи применяют при массовой выплавке латуни одной марки. Перемена марки сплава, выплавляемого в этих печах, затруднена.

     Процесс плавки медных сплавов. При плавке бронзы в разогретую печь забрасывают древесный уголь и загружают стружку бронзы или мелкие куски бронзовых отливок и меди, затем загружают крупную шихту и сверху снова мелкую. При плавке цветных металлов шихту надо загружать по возможности плотнее, чтобы предохранить металл от окисления. Сверху на шихтовые материалы забрасывают древесный уголь. После расплавления металл перемешивают и раскисляют фосфористой медью. Затем добавляют лигатуры. После их расплавления разливают металл в формы. Латунь плавится под слоем флюсов.

     Медные сплавы применяют для отливок, которые должны обладать некоторыми из следующих свойств: износоустойчивостью, стойкостью в атмосфере, кислотах и щелочах, в пресной или морской воде, при достаточно высоких механических свойствах.

     Из сплавов меди наиболее широко применяют бронзу (сплавы меди с другими металлами, но с небольшим количеством цинка или без него) и латуни (сплавы меди с большим количеством цинка и другими металлами). Необходимо отметить, что это деление в современной практике носит условный характер.

     Бронзы, применяемые в литейном производстве, разделяются на две группы: оловянистые машиностроительные и специальные машиностроительные безоловянистые.

     Так как олово является дефицитным и дорогостоящим металлом, на практике применяется много марок бронз, в которых олово частично или полностью заменено другими элементами: Zn, Pb, Р, Ni, Al, Si и пр.

     Для примера приведем обозначение по ГОСТу одной марки оловянистой бронзы: Бр. ОЦСН 3 — 7 — 5 — 1. Эта марка бронзы (Бр.) состоит из 3% олова (О), 7% цинка (Ц), 5% свинца (С), 1% никеля (Н), остальное медь. Применяются и другие марки бронз: Бр. ОЦ 10 — 2, Бр. ОФ 10 — 1 (где Ф — фосфор) и др. Фосфор и олово улучшают литейные и механические свойства и износостойкость. Свинец повышает антифрикционные свойства и облегчает обработку резанием. Цинк улучшает литейные свойства.

     Оловянистые бронзы имеют следующие механические свойства: предел прочности на растяжение 15 — 35 кГ/мм2, относительное удлинение 3 — 15%, твердость НВ 60 — 90. Эти бронзы применяют для изготовления арматуры, корпусов насосов, подшипников, зубчатых колес, втулок и др.

     Безоловянистые бронзы имеют следующие механические свойства: предел прочности на растяжение до 60 кГ/мм2, относительное удлинение до 20%, твердость НВ 80 — 250.

     Латуни, применяемые в машиностроении, подразделяются на простые и специальные. Простые латуни (сплав меди с цинком) для отливок применяются редко; они имеют максимальный предел прочности на растяжение 30 кГ/мм2 при содержании цинка 42%, а максимальное удлинение 30% при содержании в сплаве 52% цинка.

Список использованной литературы 

1. Гуляев  А.П. Металловедение. Учебник для  вузов. 6-е изд., перераб. и доп.  М.: Металлургия, 2006. – 544 с.

2. Кузьмин  Б.А., Абраменко Ю.Е. и др. Технология  металлов и конструкционные материалы:  Учебник для машиностроительных техникумов / Б.А. Кузьмин, Ю.Е. Абраменко, В.К. Ефремов и др.; Под ред. Б.А. Кузьмина. – М.: Машиностроение, 2003. – 351 с., ил.

3. Лахтин  Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных  вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение. 2001. – 493 с., ил.