Шпаргалка по "Материаловедению". 2

1. На диаграмме состояния железо — углерод показано все разнообразие превращений, происходящих в сплавах от чистого железа до цементита, содержащего 6,67% углерода, при температурах от комнатной до температуры плавления железа и цементита. Цементит езС — химическое соединение железа с углеродом, которое образуется при кристаллизации сплава, содержащего 93,33% Fe и 6,67% С. Диаграмма имеет большое практическое применение при термической обработке и обработке металлов давлением. 
На упрощенной диаграмме по оси ординат отложены температуры, а по оси абсцисс — процентное содержание углерода в сплаве железо — углерод. Диаграмма ограничена левой и правой ординатами, на которых имеются следующие критические точки: А — соответствует температуре 1539° С, G — 911° С (левая ордината соответствует 100%-ному содержанию железа), D — 1600° С, F— 1147°С, К = 727° С (правая ордината соответствует 100%-ному содержанию Fe3C). Содержание углерода в сплаве 6,67% принимается предельным по таким соображениям: сплавы с большим содержанием углерода в промышленности применения не имеют, а указанное содержание углерода в сплаве соответствует образованию цементита.

Критические точки на диаграмме: Р — отвечает температуре 727°С с содержанием углерода 0,0025%, 5 — 727° С с содержанием углерода 0,8%; Е — 1147° С с содержанием углерода 2,14%; С — 1147°С с содержанием углерода 4,3%: К—727° С с содержанием углерода 6,67% и F — 1147° С с содержанием углерода 6,67%. Область диаграммы влево от вертикальной линии, отвечающей содержанию углерода, равному 2,14%, характеризует стали, а вправо — чугун. 
В верхней части диаграммы имеется линия Л CD, соответствующая температурам, выше которых сплавы с любым содержанием углерода (от 0 до 6,67%) находятся в жидком состоянии. Эта же линия соответствует температурам начала затвердевания жидких сплавов. Линия ACD является линией ликвидус, а линия AECF — солидус. Линии GSE и PSK диаграммы — области затвердевающего сплава — объясняют происходящие изменения структуры в системе сплава в твердом состоянии. В процессе охлаждения в сплавах происходят внутренние преобразования, при которых изменяется структура сплава. 
Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов в металлографии имеют особые названия и обладают характерными свойствами. К их числу относятся феррит, графит, цементит, аустенит, перлит и ледебурит. 
Феррит (чистое железо) обладает небольшой прочностью, невысокой твердостью (НВ 80—100), сравнительно небольшой вязкостью и до температуры 768° С магнитными свойствами. 
Графит — одно из видоизменений углерода. Углерод в виде тончайших пластинок графита выделяется при медленном охлаждении чугуна (так называемый серый чугун). 
Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом РезС и иначе называется карбидом железа. Цементит обладает весьма высокой твердостью (около НВ 800), очень хрупкий и содержит по массе 6,67% углерода. Таким образом, предельное содержание углерода, принятое при построении диаграммы, соответствует цементиту. 
Аустенит представляет собой твердый раствор углерода в железе, образующийся при содержании углерода в сплаве до 2,14%. В стали аустенит существует только при высокой температуре (свыше 727° С). При медленном охлаждении сплава аустенит распадается на феррит и цементит. При быстром охлаждении аустенит не успевает распасться. Частичный распад аустенита дает промежуточные структуры сплава — мартенсит, троостит и сорбит. Эти промежуточные структуры представляют наибольший интерес при рассмотрении термической обработки. 
Перлит образуется при распадении аустенита, содержащего 0,8% углерода. Структура перлита имеет вид перемешанных очень мелких светлых и темных частичек в виде пластинок или зерен; в соответствии с этим первый называется пластинчатым, а второй — зернистым. Темные частички являются ферритом, а светлые — цементитом. Перлит обладает достаточно высокой вязкостью и невысокой твердостью (около НВ 200). 
Ледебурит представляет собой механическую смесь аустенита и цементита лри содержании углерода в сплаве 4,3%. Такую смесь называют эвтектикой. Ледебурит обладает высокой твердостью и хрупкостью (так называемый белый чугун). 
Температура плавления сплава по мере увеличения содержания углерода понижается (линия АС), достигая наименьшего значения в точке Су соответствующей 1147° С; для сплава с содержанием углерода 4,3% при дальнейшем увеличении содержания углерода повышается (линия CD), достигая 1600° С при содержании углерода 6,67% (см. рис. 5). 
Линия AECF соответствует температурам конца затвердевания жидкого сплава. Если сплав содержит углерода меньше 4,3%, затвердевание его происходит в интервале температур между линиями АС и АЕСУ при этом из сплава выделяются кристаллы твердого раствора аустени-та. Если в сплаве содержание углерода больше 4,3%, то он затвердевает между линиями CD и CF, при этом выделяются кристаллы цементита. Ниже линии AECF все сплавы находятся в твердом состоянии в виде стали или чугуна. При дальнейшем охлаждении стали аустенит начинает распадаться, выделяя феррит или цементит, в зависимости от содержания углерода. Начало распада аустенита происходит в зависимости от содержания углерода при температурах, соответствующих линии GSE, и закапчивается при одной и той же температуре (727° С) для всех сплавов независимо от содержания углерода, что показано на диаграмме прямой РК- Линия PSK называется эвтектоидной, ниже ее превращения в сплавах не происходят. При содержании в стали углерода 0,8% аустенит в точке S преобразуется в перлит. В соответствии с этим сталь такого класса называется перлитной или эвтектоид-ной, а точка называется эвтектоидной. При содержании углерода менее 0,8% в области между линиями GS -и PS из аустенита будет выделяться феррит до тех пор, пока концентрация углерода не достигнет 0,8%, после чего оставшийся аустенит перейдет в перлит при температуре 727° С. 
Таким образом? структура стали, содержащей углерода менее 0,8%, будет состоять из механической смеси феррита с перлитом.Если содержание углерода в аустените больше 0,8%, то в области между линиями SE и SK из аустенита будет выделяться цементит, в связи с чем процентное содержание углерода в аустените будет уменьшаться, и когда оно достигнет 0,8%, аустенит при температуре 727° С перейдет в перлит. Структура такой стали будет состоять из цементита и перлита. Сталь при достаточно медленном охлаждении может иметь одну из трех структур, зависящих от содержания в ней углерода: при содержании углерода до 0,8% структура стали представляет собой механическую смесь феррита и перлита; при содержании углерода 0,8% структура стали — перлит; при содержании углерода более 0,8% структура стали представляет смесь цементита с перлитом. 
Однако такие структуры сталь преобретает лишь в случае медленного охлаждения. Если же сталь, нагретую выше линии GSE> охладить с достаточно большой скоростью, то распад аустенита не успевает произойти и

В зависимости от скорости охлаждения сталь приобретает промежуточную структуру, не соответствующую диаграмме. Это свойство стали используют при термической обработке.

2 Волочение медной проволоки проводят в несколько переходов. В некоторых случаях проволока на  последних переходах разрывается. Объясните причину разрыва и укажите способ его предупреждения

Волочением называется способ обработки  металла давлением, при котором  обрабатываемый металл в виде полосы с одинаковым поперечным сечением вводится в канал волочильного инструмента  и протягивается 
(проволакивается) через него. Этот канал имеет поперечные сечения, одинаковые по своей форме или близкие к форме поперечного сечения протягиваемого металла, но плавно уменьшающиеся от места входа металла в инструмент к месту его выхода. Перед волочением на специальном станке заостряют передний конец полосы, предназначенной для обработки, с таким расчетом, чтобы конец легко входил в волоку и частично выходил с ее противоположной стороны. Этот конец захватывают специальным механизмом и протягивают.

В некоторых специальных случаях, когда деформируемый металл обладает недостаточной пластичностью, при  комнатной температуре или высоким  сопротивлением деформированию, волочение  ведут в предварительно нагретом состоянии. Например, при волочении  цинковой проволоки для увеличения пластичности заготовки ее предварительно подогревают до 80—90°, погружая моток  в нагретую воду. В очаге деформации температура проволоки доходит  до 120—150°, т. е. до температуры, при которой  образуется максимальное количество систем скольжения. 
Твердые и малопластичные сплавы (например, легированная сталь, нихром, бронза, вольфрам и т. п.), а также малопрочные металлы (например, свинец), протягивают с малыми скоростями. Наибольшие скорости применяют при волочении медной проволоки

Основными недостатками этого метода нагружения, препятствующими его массовому применению, являются: понижение пластичности обрабатываемого металла и необходимость после каждого сравнительно небольшого растяжения подвергать обрабатываемый металл отжигу. 
При обычном методе волочения частые отжиги не являются необходимыми; так, например, медь можно протягивать без отжига с суммарной деформацией, доходящей до 99% (20—25 переходов). Однако если отсутствуют волоки или имеются другие препятствия применению обычного метода волочения, «бесфильерное волочение» может дать надлежащие технические результаты.

Влияние нагрева на структуру и  свойства деформированного металла: возврат  и рекристаллизация

Деформированный металл находится  в неравновесном состоянии. Переход  к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в  кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

При низких температурах подвижность  атомов мала, поэтому состояние наклепа  может сохраняться неограниченно  долго.

При повышении температуры металла  в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – возврат и рекристаллизация.

Возврат. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической  решетки

Процесс частичного разупрочнения  и восстановления свойств называется отдыхом (первая стадия возврата). Имеет  место при температуре

Возврат уменьшает искажение кристаллической  решетки, но не влияет на размеры и  форму зерен и не препятствует образованию текстуры деформации. 
Полигонизация – процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций. 
При температурах возврата возможна группировка дислокаций одинаковых знаков в стенки, деление зерна малоугловыми границами (рис. 2). 
В полигонизированном состоянии кристалл обладает меньшей энергией, поэтому образование полигонов — процесс энергетически выгодный. 
Процесс протекает при небольших степенях пластической деформации. В результате понижается прочность на (10…15) % и повышается пластичность (рис.3). Границы полигонов мигрируют в сторону большей объемной плотности дислокаций, присоединяя новые дислокации, благодаря чему углы разориентировки зерен увеличиваются (зерна аналогичны зернам, образующимся при рекристаллизации). Изменений в микроструктуре не наблюдается (рис.4 а). Температура начала полигонизации не является постоянной. Скорость процесса зависит от природы металла, содержания примесей, степени предшествующей деформации.

При нагреве до достаточно высоких  температур подвижность атомов возрастает и происходит рекристаллизация.

Рекристаллизация – процесс  зарождения и роста новых недеформированных  зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры. 
Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность. 
1 стадия – первичная рекристаллизация (обработки) заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен. 
Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой. 
стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.

Движущей силой является поверхностная  энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому  имеется большой запас поверхностной  энергии. При укрупнении зерен общая  протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.

Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления,

для металлов   для твердых растворов  для металлов высокой чистоты  

На свойства металла большое  влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. В результате образования крупных  зерен при нагреве до температуры t1 начинает понижаться прочность и, особенно значительно, пластичность металла. 
Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации (рис. 5).

С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением  времени выдержки зерна также  укрупняются. Наиболее крупные зерна  образуются после незначительной предварительной  деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической. И такая деформация нежелательна перед проведением  рекристаллизационного отжига. 
Практически рекристаллизационный отжиг проводят дпя малоуглеродистых сталей при температуре 600…700oС, для латуней и бронз – 560…700oС, для алюминевых сплавов – 350…450oС, для титановых сплавов – 550…750oС.

3 Расшифруйте химический состав сплава 30ХГСА, укажите вид поставки, назначение

 
 
Химический  состав в % материала   30ХГСА

ГОСТ   4543 - 71 

 
 
Температура критических точек  материала 30ХГСА.

 
 
Технологические свойства материала 30ХГСА .

Механические  свойства при Т=20^oС материала 30ХГСА .

 
 
Физические  свойства материала 30ХГСА .

 
 
Зарубежные  аналоги материала 30ХГСА

 
 
Обозначения:

Вид поставки

Сортовой  прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 259071, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69, ГОСТ 10702-78. Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 10702-78, ГОСТ 1051-73. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77. Лист толстый ГОСТ 11269-76. Лист тонкий ГОСТ 11268-76. Полоса ГОСТ 103-76. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 1133-71, ГОСТ 8479-70. Трубы ГОСТ 8731-87, ГОСТ 8732-78, ГОСТ 8733-87, ГОСТ 8734-75, ГОСТ 21729-76, ГОСТ 13663-68, ГОСТ 9567-75.

Назначение

Различные улучшаемые детали: валы, оси, зубчатые колеса, фланцы, корпуса  обшивки, лопатки компрессорных  машин, работающие при температуре  до 200 ° С, рычаги, толкатели, ответственные сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках, крепежные детали, работающие при низких температурах.

4. Каковы общие  свойства керамических материалов? Перечислите разновидности бескислородной керамики, свойства и применение.

К керамическим материалам предъявляются  различные требования соответственно тем воздействиям, которые они  испытывают при использовании их в строительстве. В связи с  этим необходимо знать основные свойства керамического материала и пути их регулирования в процессе изготовления различных керамических изделий.

Водопоглощение керамических материалов характеризует количественную величину их пористости и соответственно степень спекания, которая в свою очередь влияет на многие рабочие свойства изделий строительной керамики: морозостойкость, паро- и воздухопроницаемость, сцепление с раствором, загрязняемость и д. р. Диапазон этого показателя для изделий строительной керамики в зависимости от их вида и назначения довольно велик - от 1 - 30%.

Предел прочности при  сжатии Rсж керамических материалов зависит от их состава и структуры и уменьшается с увеличением размера образца. Наиболее важное значение Rсж имеет для изделий стеновой керамики, которые воспринимают большие нагрузки в зданиях и сооружениях. По этому показателю стеновые изделия маркируют, принимая за марку среднюю величину по результатам испытания пяти образцов. Для изделий строительной керамики Rсж находится в пределах 7,5-70 МПа.

Предел прочности при  изгибе керамических материалов Rиз зависит от тех же факторов, что и Rсж, с той лишь разницей, что здесь структура материала оказывает более резкое влияние на его сопротивляемость изгибу. Для керамических материалов Rизнаходится в пределах 0,7-5 МПа.

Морозостойкость называют способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание или оттаивание без признаков разрушения и без значительного понижения прочности. Показателем морозостойкости является количество теплосмен, которое выдерживает материал без признаков разрушения.

Обстоятельные исследования по влиянию  гранулометрии пор на морозостойкость керамических материалов выявили следующие положения:

все поры в керамическом материале (с точки зрения морозостойкости) могут быть разделены на три категории: опасные, безопасные и резервные;

опасные поры заполняют водой при  насыщении на холоду. В них она удерживается при извлечении материала из воды и замерзает при температуре от - 15 до - 20 ºС. Диаметр этих пор от 200 до 1 мк для глиняного кирпича пластического прессования, от 200 до 0,1 мк для глиняного кирпича полусухого прессования;

безопасные поры при насыщении  на холоду водой не заполняются, либо заполнившая их вода не замерзает при указанных температурах. Это обычно мелкие поры. Заполняющая их вода становится по существу пристеночной адсорбированной влагой, имеющей свойства почти твердого тела и температуру замерзания существенно ниже (-20 ºС);

резервные поры при насыщении на холоду полностью заполняются водой, но из них при извлечении образца из насыщенного сосуда вода частично вытекает вследствие малых капиллярных сил. Это крупные поры диаметром более 200 мк.

Согласно этим исследованиям, керамический материал будет морозостойким, если в нем объем резервных пор  достаточен для компенсации прироста объема замерзающей воды в опасных  порах.

Морозостойкость определяет долговечность  керамических материалов при их службе в условиях воздействия на них  внешней среды. Поэтому требования морозостойкости регламентированы ГОСТами для стеновых, фасадных, кровельных и некоторых других изделий строительной керамики.

Керамические изделия по морозостойкости  подразделяют на марки Мрз15, Мрз25, Мрз35, Мрз50. Марка морозостойкости соответствует  количеству теплосмен, которое изделие  должно выдерживать без каких-либо признаков видимых повреждений.

Теплопроводность керамических материалов зависит от их объемной массы, состава, вида и размера пор и резко возрастает с увеличением их влажности, так как теплопроводность воды выше теплопроводности воздуха в 20 раз. Замерзание воды в порах материала ведет к дальнейшему резкому возрастанию его теплопроводности, поскольку теплопроводность льда больше теплопроводности абсолютно плотного керамического черепка примерно, в 2 раза, больше теплопроводности воды в 4 раза и больше теплопроводности воздуха в 80 раз.

Паропроницаемость действующими ГОСТами и ТУ не регламентирована. Однако в некоторых случаях она влияет на долговечность строительных конструкций. Низкая паропроницаемость стеновых материалов может являться причиной потения внутренней поверхностей стен, особенно в зданиях с повышенной влажностью воздуха. По экспериментальным данным, коэффициент паропроницаемости плиток полусухого прессования с водопоглощением 8,5; 6,5 и 0,25% соответственно равен 0,155; 0,0525; 0,029 г/ (м?ч?Па).

В многослойных стенах неодинаковая паропроницаемость отдельных слоев стены может вызвать накопление влаги в ее толще, последующее ее замерзание и отслаивание части стены. По этой причине вполне не надежна сквозная фасадная облицовка стен глазурованными плитками, обладающими низкой паропроницаемостью.

По температуре плавления керамические изделия и исходные глины разделяются  на легкоплавкие (с температурой плавления  ниже 1350В°С), тугоплавкие (с температурой плавления 1350-1580В°С) и огнеупорные (свыше 1580В°С). С температурой плавления  в интервале 2000-4000Х, используются для  технических (специальных) целей.

Отличительная особенность всех керамических изделий и материалов состоит  в их сравнительно высокой прочности, но малой деформативности. Хрупкость чаще всего относится к отрицательным свойствам строительной керамики. Она обладает высокой химической стойкостью и долговечностью, а форма и размеры изделий из керамики обычно соответствуют установленным стандартам или техническим условиям.

Бескислородная керамика. К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения элементов с углеродом (МеС) карбиды, с бором (МеВ) - Бориды, с азотом (MeN) - нитриды, с кремнием (MeSi) - силициды и с серой (MeS) - сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью (2500-3500 ОС), твердостью (иногда как у алмаза) и износостойкостью по отношению к агрессивным средам. Материалы обладают высокой хрупкостью. Сопротивление окислению при высоких температурах (окалиностойкость) карбидов и боридов составляет 900-1000ОС, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300 - 1700ОС (на поверхности образуется пленка кремнезема) .

Карбиды. Широкое применение получил  карбид кремния - карборунд (SiC). Он обладает высокой жаростойкостью (1500 - 1600 ОС), высокой твердостью, устойчивостью к кислотам и неустойчивостью к щелочам; применяется в качестве нагревательных стержней, защитных покрытий графита и в качестве абразива.

Бориды. Эти соединения обладают металлическими свойствами, их электропроводность очень  высокая (?V = (12-57) Х 10-1 Ом·м). они износостойки, тверды, стойки к окислению. В технике получили распространение дибориды тугоплавких металлов (TiВ2, ZrB2 и др.). Их легируют кремнием или дисилицидами, что делает их устойчивыми до температуры их плавления. Диборид циркония стоек в расплавах алюминия, меди, чугуна, стали и др. Его используют для изготовления термопар, работающих при температуре свыше 2000 OC в агрессивных средах, труб, емкостей, тиглей. Покрытия из боридов повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.

Нитриды. Неметаллические нитриды  являются высокотермостойкими материалами, имеют низкие теплопроводность и электропроводимость. При обычной температуре это изоляторы, а при высоких температурах - полупроводники. С повышением температуры коэффициент линейного расширения и теплоемкость увеличиваются. Твердость и прочность этих нитридов меньше, чем твердость и прочность карбидов и боридов. В вакууме при высоких температурах они разлагаются. Они стойки к окислению, действию металлических расплавов.