Задачи по материаловедению

Вариант 12

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

Решение:

Волочение медной проволоки связано с пластическим деформированием металла. В результате пластической деформации происходит искажение кристаллической    решетки, зерна металла деформируются и приобретают определенную ориентировку. В металле сдвиг при пластической деформации происходит в результате перемещения дислокаций по кристаллу. Однако пластическая деформация вызывает появление и накопление в металле новых дислокаций. Накопление дислокаций в деформированном металле затрудняет и тормозит передвижение их по кристаллу, что в свою очередь вызывает сопротивление деформации со стороны металла, т.е. упрочнение. При этом пластичность металла снижается. В результате при волочении металла может происходить его разрушение.

Нагрев деформированного металла (для меди до 400°С) ведет к повышению подвижности атомов, и среди вытянутых зерен идет интенсивное зарождение и рост новых равновесных свободных от напряжений зерен. Новые зерна растут за счет старых, вытянутых, до их столкновения друг с другом и до полного исчезновения вытянутых зерен. При нагреве по достижении температуры начала рекристаллизации предел прочности и особенно текучести резко снижаются, а пластичность увеличивается.

Таким образом, для предупреждения разрушения при волочении медной проволоки применяют межоперационную термическую обработку - рекристаллизационный отжиг.

2.Задача: Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите фазовые и структурные превращения в сплаве, содержанием 1,6% углерода, при охлаждении из жидкого состояния. Постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз Гиббса) для этого сплава. Укажите название и структуру сплава при комнатной температуре. По правилу Курнакова определите количственное соотношение фаз в сплаве при температуре 1300ºС.

Решение:

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 выдел пня 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.

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.

                                                     а)                                                          б)

Рисунок 2.1. а - диаграмма железо-цементит, б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 1,6% углерода

Сплав железа с углеродом, содержащий 1,6% С, называется заэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре цементит (вторичный) + перлит.

3.Задача: Назначьте режим ХТО и термообработки шестерни из стали 20 с твердостью зуба 58... 62 НRС. Опишите происходящие в стали превращения, структуру и свойства поверхности зуба и сердцевины шестерни после термической обработки.

Решение:

Сталь 20 используется для изготовления малонагруженных шестерен с высокой твердостью поверхности, где допускается невысокая прочность сердцевины, т. е. шестерни, работающей в условиях обычного износа и удара. Для получения необходимого комплекса эксплуатационных свойств (высокая износостойкость поверхности при достаточно высокой усталостно-изгибочной прочности зуба) сталь 20 подвергают цементации на глубину 0,8-1,2 мм, закалке и последующему низкому отпуску. Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость. Эти свойства достигаются обогащением поверхностного слоя стали углеродом доэвтектоидной, эвтектоидной или заэвтектоидной концентрации и последующей термической обработкой, сообщающей поверхностному слою стальных изделий структуру мартенсита или мартенсита с карбидами и небольшим количеством остаточного аустенита.

Принимаем ширину зубчатого венца шестерни равной 25 мм.

Термическая обработка заключается в газовой цементации при температуре 920-950ºС на глубину 0,8-1,2 мм, продолжительность выдержки 8-10 часов. Механизированное термическое оборудование и автоматическая система контроля и регулирования углеродного потенциала в печи цементации позволяет нам на поверхности цементуемого слоя получить эвтектоидное насыщение углеродом. Струк­тура слоя при температуре насыщения – аустенит, после медленного охлаждения в атмосфере агрегата от поверхности к сердцевине – перлит → перлит + феррит. Структура сердцевины при температуре насыщения – аустенит, после медленного охлаждения – феррит + перлит.

Для гарантированного получения мелкоигольчатого мартенсита детали после цементации охлаждают до температуры ниже температуры 600ºС, а затем нагревают под закалку до температуры 800-820ºС. Температуру нагрева под закалку выбирают для цементованного слоя. Температура AC3 для данной стали составляет 850ºС. Закалку для стали 20 производят в воде.

Охлаждение в воде заготовок шестерен обеспечивает скорость охлаждения цементованного слоя выше критической. Структура поверхностного слоя после закалки – мартенсит, структура сердцевины – сорбит → перлит + феррит. Низкий отпуск проводим при температуре 180-190ºС, выдерживая 2 – 2,5 ч, необходимых для прогрева детали по всему сечению и прохождения процессов снятия внутренних напряжений. Более высокие температуры применять не следует, так как это приводит к снижению твердости, статической и усталостной прочности, износостойкости цементовано-закаленных изделий. Атмосфера в печи при проведении низкого отпуска – воздух. Охлаждение после отпуска на воздухе. Структура поверхностного слоя – отпущенный мартенсит, структура сердцевины – низкоуглеродистый сорбит → перлит + феррит.

Твердость поверхности готового изделия 58-62 HRC.

Механические свойства в сердцевине готового изделия: σТ=370 МПа, σВ=550 МПа, δ>18%, ψ>45%.

5. Задача: Выберите марку чугуна для изготовления ответственных деталей машин (коленчатые валы, шатуны и пр.). Укажите состав, обработку, структуру и основные механические свойства деталей из этого чугуна.

Решение:

Для изготовления ответственных деталей выбираем марку чугуна СЧ32-52. Его назначение: ответственное высоконауглероженное литье с толщиной стенок 20-100 мм (цилиндры, крышки цилиндров, малые коленчатые валы и т.д.).

Химический состав: углерода 2,7-3,0%; кремния 1,1-1,5%; марганца 0,8-1,2%; фосфора не более 0,2%; серы не более 0,12%; никеля не более 0,5%; хрома не более 0,3%.

Обработка: чугун следует нагреть до температуры 570°С со скоростью нагрева 100-150°С в час, далее следует выдержка 2-4 часа. Охлаждение должно быть медленным (10-50°С в час), вместе с печью. Выдержка зависит от толщины стенки отливки. Такую термическую обработку применяют для снятия внутренних напряжений в чугунных отливках.

Структура: серый чугун марки СЧ32-52 является одним из наилучших по всем механическим свойствам (прочности, твердости, пластичности). Такой чугун называется высококачественным, он имеет структуру перлита с мелкими пластинчатыми включениями графита.

Обладая вследствие наличия мелкораздробленного графита хорошими механическими свойствами, он одновременно имеет повышенную твердость и износоустойчивость, обусловленную перлитной структурой металлической основы. Поэтому из такого чугуна и изготавливаются такие ответственные детали, как поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания и многие другие.

Механические свойства:

Предел прочности: при растяжении 32 кгс/мм2, при изгибе 52 кгс/мм2, при сжатии 110 кгс/мм2;

Стрела прогиба (расстояние между опорами 600 и 300 мм): 9/3;

Твердость по Бринеллю: 187-255 HB.

5. Задача: Для изготовления деталей путем глубокой вытяжки применяется латунь Л69. Укажите состав. Используя диаграмму медь-цинк, определите структуру сплава. Назначьте режим термообработки применяемо между отдельными операциями вытяжки, обоснуйте выбор. Приведите общие характеристики механических свойств сплава.

Решение:

Латунь — это двойной или многокомпонентный сплав на основе меди, где основным элементом является цинк. Латуни могут иметь в своем составе до 45% цинка. Повышение содержания цинка до 45% приводит к увеличению предела прочности до 450 МПа. Цинк повышает прочность и пластичность сплава. Максимальная пластичность имеет место при содержании цинка около 37%.

Диаграмма медь-цинк, а также механические свойства латуней приведены на рисунках 5.1, где приведена зависимость предела прочности от содержания цинка в сплаве, и 5.2, где изображена зависимость температуры плавления сплава от содержания меди и цинка в нем.

Рисунок 5.1 Диаграмма медь-цинк и механические свойства сплавов

Рисунок 5.2 Диаграмма состояния медь-цинк

При комнатной температуре практически  применяемые латуни либо состоят из одних   α-кристаллов, либо являются смесью α-  и β-кристаллов. Переход через границу однофазной области (39%Zn) резко снижает пластичность; β-латунь обладает максимальной прочностью  (бв=400 Мпа) при относительно низкой для латуней пластичности  (δ=7%);  γ- латунь является весьма хрупкой.  Литейные свойства латуней характеризуются малой склонностью к ликвации, хорошей жидкотекучестью, большей усадкой.  α-  латуни легко поддаются пластической деформации,  поэтому из них изготавливают различный прокат Л62, Л68.

Деформируемые латуни маркируются буквой Л, за которой следует число, показывающее содержание меди в процентах, например в латуни Л62 содержится 62% меди и 38% цинка. Если кроме меди и цинка, имеются другие элементы, то ставятся их начальные буквы (О — олово, С — свинец, Ж — железо, Ф — фосфор, Мц — марганец, А — алюминий, Ц — цинк). В нашем случае, в латуни Л96 содержится 96% меди.

В таблице 5.1 приведены химический состав и свойства латуни Л96.

Таблица 5.1

Химический состав латуни Л96

Fe

P

Cu

Pb

Zn

Sb

Bi

Примесей

до   0.1

до   0.01

95 - 97

до   0.03

2.66 - 4.8

до   0.005

до   0.002

всего 0.2

Особенностью латуни Л96 является ее высокая коррозионная устойчивость. В частности, она не склонна к коррозионному растрескиванию.

Латунь Л96 обладает достаточно высокими механическими и литейными свойствами и хорошо обрабатывается давлением как в горячем, так и в холодном состоянии; в этом отношении данный сплав по своим технологическим свойствам очень близок к чистой меди, очень хорошо деформируется в холодном состоянии, особенно волочением, пригодна для ковки, чеканки, эмалирования.

Латунь Л96 применяется для изготовления радиаторных и конденсаторных трубок.

Вытяжкой получают полые детали разнообразной формы из плоских листовых или полых тонкостенных заготовок, не требующие, как правило, дальнейшей обработки, кроме обрезки неровного края. Изготовление деталей вытяжкой осуществляется без нагрева заготовки, в холодном состоянии. Исключение — вытяжка толстолистового металла (толщиной свыше 20 мм), когда заготовку нагревают, для того чтобы снизить деформирующее усилие. 

Вытяжкой за одну операцию можно получить относительно неглубокие детали, высота которых не превышает 0,8 диаметра. При вытяжке более высоких деталей растягивающие напряжения, возникающие в стенке, возрастают настолько, что может наступить отрыв дна. В связи с этим процесс вытяжки необходимо разделять на несколько переходов, что позволяет уменьшить радиальные растягивающие напряжения в стенках вытягиваемой детали. При получении деталей вытяжкой, в зависимости от относительной высоты, их штампуют в одну или несколько операций или переходов.

Без нагрева из листовой латуни можно изготовлять глубокой вытяжкой и штамповкой сложные детали: кожухи, колпачки, фасонные шайбы и другое. В результате холодной обработки давлением у латуни увеличивается твердость и механическая прочность, но заметно снижается пластичность. Для восстановления пластичности латунь отжигают при температуре 400–600° С и медленно охлаждают до комнатной температуры.

После отжига латунь становится мягкой и легко гнется и выколачивается. При дальнейшей обработке давлением, прокатыванием и выколачиванием латунь снова нагартовывается и становится жесткой. В этом случае производят повторный отжиг. При глубоких вытяжках, чтобы избежать образования трещин, латунь приходится отжигать несколько раз.

Важнейшим условием правильной термообработки сталей является подбор необходимого температурного режима в зависимости от марки стали. Термическая обработка латуни заключается только в отжиге. Отжиг меди и ее сплавов проводят с целью устранения тех откло­нений от равновесной структуры, которые возникли в процессе затверде­вания или в результате механического воздействия либо предшествующей термической обработки.

На температуру рекристаллизации латуней также влияет предшест­вующая обработка, в первую очередь степень холодной деформации и ве­личина зерна, сформировавшегося при этой обработке. Так, например, время до начала рекристаллизации латуни Л95 при температуре 440 °С со­ставляет 30 мин при степени холодной деформации 30 % и 1 мин при сте­пени деформации 80%.

Величина исходного зерна действует на процесс рекристаллизации противоположно повышению степени деформации. Например, в сплаве Л95 с исходным зерном 30 и 15 мкм отжиг после 50 % деформации при температуре 440 °С приводит к рекристаллизации через 5 и 1 мин соответ­ственно. В то же время величина исходного зерна не влияет на скорость рекристаллизации, если температура отжига превышает 440 °С.

Температуру отжига латуней выбирают примерно на 250–350 °С выше температуры начала рекристаллизации (таблице 5.2).

Таблица 5.2

Режимы отжига меди и сплавов на ее основе

Качество отожженного материала определяется не только его меха­ническими свойствами, но и величиной рекристаллизованного зерна. Ве­личина зерна в полностью рекристаллизованной структуре довольно одно­родна. При неправильно установленных режимах рекристаллизационного отжига в структуре четко обнаруживаются две группы зерен различной ве­личины. Эта так называемая двойная структура особенно нежелательна при операциях глубокой вытяжки, гиба или полировки и травления изделий.

С увеличением размеров зерна до определенного предела штампуемость латуней улучшается, но качество поверхности ухудшается. На поверхности изделия при величине зерна более 40 мкм наблюдается харак­терная шероховатость — «апельсиновая корка».

Отжиг для уменьшения остаточных напряжении проводят в тем­пературном интервале ниже температуры начала рекристаллизации с тем, чтобы заметно не снижались механические свойства, полученные нагартовкой. Обычно этот интервал температур лежит между 250 и 330 °С, а продолжительность отжига колеблется от 1 до 2 ч. Такая операция значи­тельно снижает остаточные напряжения и, как правило, выравнивает их по объему изделия. 

Таким образом, между отдельными операциями вытяжки, в зависимости от типа производимого изделия, латунь, возможно, будет необходимо подвергнуть отжигу несколько раз, чтобы повысить пластичность изделия.

Латуни хорошо обрабатываются резанием. Изделия из латуни устойчивы к атмосферной коррозии, но деформированная (вытяжкой) латунь подвержена коррозии во влажной атмосфере в большей степени, чем медь.

Механические свойства латуни Л96 приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3

Механические и физические свойства латуни Л96

Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком). Она обладает высокой пластичностью, антикоррозионным и антифрикционными свойствами, хорошо сваривается со сталью, его применяют для изготовления биметалла сталь-латунь. Благодаря золотистому цвету томпак используют для изготовления художественных изделий, знаков отличия и фурнитуры.

9