МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

     САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

     СЕРВИСА И ЭКОНОМИКИ 
 

     ИНСТИТУТ  СЕРВИСА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 

     КАФЕДРА «ГУМАНИТАРНЫХ, СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫХ ДИСЦИПЛИН» 
 

              Курсовая работа по дисциплине: 
 

     Материаловедение

     Тема:        Раздел 1: Материаловедческий анализ

                         Раздел 2:  
 
 

                                                           Выполнил студент:

                                                            Группа:

                                                            Шифр:

                                                           Руководитель:

                                                            Оценка:

                                                            Дата защиты:  
 
 
 
 

     Калуга-2008 г.

     Содержание

Раздел 1. Материаловедческий анализ.

      1.1. Систему понятий, входящих в понятие “марка материала”…................................................................................................3 стр.

      1.2. Принципы обозначения стандартных марок легированных сталей по   ГОСТ4543 и в иностранных стандартах………………………….3-5 стр.

      1.3. Расшифровка стандартных марок сталей по варианту задания, структурный класс и примерное назначение……………………………5 стр.

      1.4. Понятие термина “КАЧЕСТВО СТАЛИ”……………………6 стр.

      1.5. Основные характеристики механических свойств стали, по которым оцениваются стали конкретного назначения……………….6-7 стр.

      1.6. Как и для чего нужно управлять количеством и качеством неметаллических включений?.................................................................7-8 стр.

      1.7. На какие свойства стали разного назначения влияет величина зерна?.............................................................................................................9 стр.

      1.8. Как управлять величиной зерна?.........................................9-10 стр.

      1.9. Что подразумевается под оптимальной структурой?............10 стр.

      1.10. Процесс закалки стали……………………………………...11 стр.

      1.11. Управление типом структуры  образующейся при закалке………………………………………………………………...11-12 стр.

      1.12. Понятия “закаливаемость” и “прокаливаемость”………....12 стр.

      1.13. “Полоса прокаливаемости”. Описание “полосы прокаливаемости” стали, заданной номером рисунка в варианте задания………………………………………………………………...13-14 стр.

      1.14. Стали пониженной прокаливаемости и для каких деталей их применяют………………………………………………………………..14 стр.

      1.15. Процесс старения стали…………………………………….15 стр.

      1.16. Требования к автомобильному листу…………………..16-17 стр.

      1.17. Термин хорошая “свариваемость стали”…………………..17 стр.

      1.18. От чего зависит контактная прочность стали?....................18 стр.

      1.19. Уровни прочности канатной стали и технология упрочнения……………………………………………………………19-20 стр.

      1.20. Виды коррозионных повреждений нержавеющей стали…………………………………………………………………...20-21 стр.

Раздел 2. Испытания на растяжение.

     2.1. Диаграмма растяжения…………………………………...22-25 стр.

     2.2. Основные механические характеристики  материала……………………………………………………………...25-28 стр.

     2.3. Пластичность и хрупкость. Твердость…………………..28-32 стр.

     Список литературы………………………………………………..33 стр. 
 
 
 

Раздел 1. Материаловедческий анализ.

1. Система понятий, входящих в понятие “марка материала”.

     Марка материала определяется химическим составом. Химический состав - это элементы (вещества) и их соотношение, из которых изготовлен материал.

     Так же в «марку материала» входят такие  понятия как: способ производства материала, степень раскисления, качество, назначение, структурный класс, область применения и т. д. 
 

2. Принципы обозначения стандартных марок легированных сталей по   ГОСТ4543 и в иностранных стандартах.

       Обозначение марки включает в себя цифры и буквы, указывающие на примерный состав стали. В начале марки приводятся двухзначные цифры (например, 12ХН3А), указывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буквы справа от цифры обозначают легирующие элементы: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий.

     Следующие после буквы цифры указывают  примерное содержание (в целых  процентах) соответствующего легирующего  элемента (при содержании 1-1,5% и менее  цифра отсутствует, например 30ХГС). Высококачественные стали обозначаются буквой А, а особовысококачественные – буквой Ш, помещенными в конце марки (30ХГСА, 30ХГС-Ш). Если буква А расположена в середине марки (14Г2АФ), то это свидетельствует о том, что сталь легирована азотом. При обозначении автоматных сталей с повышенной обрабатываемостью резанием буква А ставится в начале марки (А20, А40Г). Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв АС (АС35Г2 – где цифра 35 обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента). В начале обозначения марки быстрорежущих сталей стоит буква Р, за которой следует цифра, отражающая концентрацию вольфрама (Р18, Р6М5). Опытные стали выплавленные на заводе «Электросталь», первоначально обозначают буквами ЭИ (электросталь исследовательская) или ЭП (электросталь пробная) с порядковым номером разработки (освоения), например ЭИ962 (11Х11Н2В2МФ), ЭП33(10Х11Н23Т3МР). Такое упрощенное обозначение сталей, особенно высоколегированных, в дальнейшем широко используется и в заводских условиях.

     При маркировке сплавов на железоникелевой основе указывается количественное содержание никеля (в процентах) с перечислением лишь буквенных обозначений остальных легирующих элементов, например, ХН38ВТ, ХН45МВТЮБР.  

     Зарубежные  аналоги ряда отечественных  марок легированных сталей 

3. Расшифровка стандартных марок сталей по варианту задания, структурный класс и примерное назначение.

     Сталь 09Г2СД содержит 0,09% углерода C, 2% марганца Mn, 1% кремния Si, 1% меди Cu.

     Сталь ХВ5 содержит 1,25–1,5% углерода C, 1% хрома Cr, 5% вольфрама W. Структурный класс – аустенитный. ХВ5 – это инструментальная сталь («Алмазная»). Благодаря присутствию вольфрама в термически обработанном состоянии имеет избыточную мелкозернистую карбидную фазу и твердость HRC 65…67. Из этой стали изготовляют инструмент, который длительное время сохраняет острые кромки и высокую размерную точность (развертки, фасонные резцы, гравированный инструмент и т.п.).  
 
 

4. Понятие термина “КАЧЕСТВО СТАЛИ”.

     В начале ΧΧ в. химический состав и прочность стали практически исчерпывали требования к ее качеству. Сегодня изменились не только эти нормы, в стандартах на сталь отражены многообразные требования технологии производства и эксплуатации машин и сооружений: штампуемость, обрабатываемость резанием, свариваемость, прокаливаемость, хладостойкость, коррозионная стойкость, стойкость к старению и многие другие. 

     Качество  стали – характеристика многомерная, хорошо описываемая матрицей свойств, составов и т.д. Металл оказывается негоден ни на что, когда не выполнено хотя бы одно из условий работоспособности. А выполнимость почти каждой из норм сегодня зависит не от одного агрегата или режима, а от всей технологической цепочки. Поэтому не только уровень, но и полный перечень обязательных материаловедческих норм для продукции – предмет обстоятельного анализа перед разработкой любых металлических изделий.   

     Для прогнозирования работоспособности  в материаловедении применяется  следующая бесспорная аксиома: «Качество  материала сейчас, т.е. в изготовленном  изделии, однозначно определяет работоспособность материала в будущем, т.е. в условиях эксплуатации». 
 

5. Основные характеристики механических свойств стали, по которым оцениваются стали конкретного назначения.

      99% всей стали – материал конструкционный  в широком смысле слова: включая  стали для строительных сооружений, деталей машин, упругих элементов, инструмента и для особых условий работы – теплостойкие, нержавеющие, и т.п. Его главные качества – прочность (способность выдерживать при работе достаточные напряжения), пластичность (способность выдерживать достаточные деформации без разрушения как при производстве конструкций, так в местах перегрузок при их эксплуатации), вязкость (способность поглощать работу внешних сил, препятствуя распространению трещин), упругость, твердость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность.

     Для изготовления подшипников широко используют шарикоподшипниковые хромистые  стали ШХ15 и ШХ15СГ. Шарикоподшипниковые  стали обладают высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью.

     Пружины, рессоры и другие упругие элементы работают в области упругой деформации материала. В то же время многие из них подвержены воздействию циклических нагрузок. Поэтому основные требования к пружинным сталям – это обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению (55С2, 60С2А, 50ХФА, 30Х13, 03Х12Н10Д2Т).

     Высокопрочные стали имеют высокую прочность  при достаточной пластичности (среднеуглеродистая легированная сталь 40ХН2МА), высокой конструктивной прочностью, малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением хрупкому разрушению, низким порогом хладноломкости, хорошей свариваемостью. 
 

6. Как и для чего нужно  управлять количеством и качеством неметаллических включений?

     Неметаллические включения – составляющие структуры, попадающие в сталь непреднамеренно. Но они технологически неизбежны.

     Неметаллические включения практически не влияют на «объемные» процессы пластической деформации и упрочнения, но разнообразно проявляют себя в локальных процессах – в разрушении, а также в формировании зерна и фазового состава стали.

     Абсолютно вреден сульфид железа FeS. Эвтектика Fe–FeS плавится при 975˚С. Оттесняемый фронтом кристаллизации легкоплавкий сульфид FeS, образует жидкие пленки вокруг дендритов. В затвердевающем слитке на выходе из кристаллизатора перепад температуры доходит до 400…500˚С, и от термических напряжений по пленкам идут кристаллизационные трещины. Эти пленки оплавляются и при нагреве под прокатку, так что слиток при обжатии разваливается – сталь горячеломкая.

     Для предотвращения кристаллизационных трещин и горячеломкости почти во все  стали вводят марганец: 0,25…0,80% в рядовой углеродистой стали по ГОСТ 380. Цель избавиться от эвтектики, заместив сульфид железа на сульфид марганца. В слябе непрерывной разливки гарантией против кристаллизационных трещин считают пропорцию [Mn]:[S]>40…50 и даже  [Mn]:[S]>60. В тонком слябе, вытягиваемом с большой скоростью, продольные поверхностные трещины предотвращались лишь при <0,008% S. При дальнейшей переработке, при охлаждении слитка и при нагреве под прокатку, сульфид железа обогащается марганцем в твердом состоянии. Он полностью превращается в сульфид марганца за 1 час при 1100…1200˚С, и тогда горячеломкость предотвращается, если в стали [Mn]:[S]>25.

     Сульфиды  марганца мягкие, пластичны при 950…1100˚С, а при размере частиц менее 1 мкм они не деформируются. Наиболее опасны сульфиды – дендриты, при прокатке они вытягиваются в плоские пучки нитей и даже при холодной деформации удлиняются почти так же, как сам металл.

7. На  какие свойства стали  разного назначения влияет величина зерна?

     Внутри  зерна феррита нет сильных  препятствий скольжению. Поэтому  сопротивление его деформации течения  создают границы зерна, и чем  мельче зерно феррита, тем выше предел текучести. Чем больше деформация, тем больше препятствий создают внутри зерна сами следы скольжения и тем меньше влияет размер зерна на сопротивление течению. Поэтому предел прочности зависит от размера зерна феррита слабее, чем предел текучести.

     У мартенсита столь сложная субзеренная  структура, что в ней границы  зерна исходного аустенита –  препятствие пренебрежимо слабое. Прочность  мартенсита от величины зерна не зависит. Перлит, сорбит, бейнит – двухфазные структуры. Их прочность определяется прежде всего температурой образования (дисперсностью цементита), а не величиной зерна исходного аустенита.

     Если  разрушение вязкое, то на деформацию до разрушения величина зерна почти  не влияет. Но в условиях, например, хладноломкости хрупкое транскристаллитное разрушение (скол) распространяется по одной кристаллографической плоскости через всё зерно, то есть чем зерно феррита крупнее, тем сильнее концентрация напряжений от рассёкшей его фасетки скола и тем сталь более хрупкая.

     Так же сильно влияет зерно исходного аустенита при граничной хрупкости, вызванной ослаблением границ от собирания на них примеси. Тогда вскрыть грань зерна – зернограничную фасетку – тем легче, чем зерно крупнее (чем больше концентрация напряжений у его границ).  
 

8. Как управлять величиной зерна?

     Величина  зёрен зависит от числа зародышей  кристаллизации и скорости их роста. Если скорость охлаждения мала, то число  возникающих и растущих зародышей  невелико и в конце кристаллизации формируются структуры из крупных  зёрен. При большой скорости охлаждения число одновременно развивающихся центров кристаллизации, а следовательно и число зёрен возрастает и в конце кристаллизаций они оказываются меньше чем в первом случае. Это можно наблюдать на практике – в тонких сечениях литых деталей структура стали  мелкозернистая, так как здесь происходит более быстрое охлаждение, чем в толстых сечениях. Чем мельче зёрна, тем выше прочность и особенно вязкость металла.

     Чтобы сделать зерно мелким, в металл вводят специальные вещества – модификаторы. Например, в жидкую сталь при её разливке добавляют порошок железа или частицы тугоплавких оксидов, которые являются готовыми центрами кристаллизации. Процесс искусственного регулирования величины зёрен получил название модифицирования. 
 

9. Что подразумевается  под оптимальной структурой?

     Идеальная кристаллическая решетка металла  состоит из множества повторяющихся  элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерны определенные несовершенства кристаллического строения.

     Оптимально  устойчивыми (реально существующими) структурами элементов являются кристаллические решетки, которые обладают минимальным запасом свободной энергии F. Так, в твердом состоянии Li, Na, K, Cs, Mo, W и другие элементы имеют решетку типа К8, а Al, Ca, Cu, Ag, Au, Pt и другие – решетку типа Г6.

     Однако  при изменении температурных  и изобарных условий для некоторых  металлов более стабильными могут  быть иные структуры. Известны, например Fe с решетками типа К8 и К12; Co – с решетками типа К12 и Г6; Mn, Sn, Ti и другие элементы с различными типами кристаллических структур.

10. Процесс закалки стали.

     Закалка стали служит для повышения прочности, твердости, упругости, износостойкости. Процесс закалки состоит в нагреве на 30…50˚С выше критической точки нагрева Ас₃≈880˚С для доэвтектоидных сталей (полная закалка) и выше критической точки Ас₁=727˚С для заэвтектоидных сталей (неполная закалка), выдержке при этих температурах и быстром охлаждении. Охлаждающими средами могут быть вода, минеральное масло, воздух, водные растворы солей, щелочей, расплавы солей. При закалке образуются неравновесные структуры с соответствующими механическими свойствами: при полной закалке – мартенсит, при неполной – мартенсит с зернами цементита. Если доэвтектоидную сталь нагреть до температуры выше температуры критической точки Ас₁, но ниже Ас₃, то происходит неполная закалка с образованием структуры, состоящей из мартенсита и феррита. В результате закалки понижается пластичность сталей.

     Скорость  нагрева и время выдержки при  закалке зависят от химического  состава стали, размеров, массы конфигурации закаливаемых деталей, типа нагревательных печей и нагревательной среды. Детали из высокоуглеродистых и легированных сталей нагревают более медленно и с большей выдержкой, чем детали из низкоуглеродистых сталей. С целью уменьшения возможных деформаций увеличивают время нагрева для деталей, более сложных по конфигурации и имеющих большую массу.

     Нагрев  осуществляют в нагревательных термических  печах и печах-ваннах, подогреваемых  электрической энергией или сгорающими газом, мазутом, углем. 
 

11. Управление типом структуры, образующейся при закалке.

     При закалке сталь приобретает неравновесные  структуры с соответствующими механическими  свойствами. При полной закалке структура  стали – мартенсит, при неполной закалке – мартенсит с зернами  цементита. Если доэвтектоидную сталь нагреть до температуры выше температуры критической точки нагрева Ас₁=727˚С, но ниже критической точки Ас₃≈880˚С, то происходит неполная закалка с образованием структуры, состоящей из мартенсита и феррита.

     Степень неравновесности продуктов закалки с увеличением скорости охлаждения повышается и возрастает от сорбита к мартенситу. Критическая скорость закалки имеет очень важное значение. От нее зависит такое технологическое свойство, как прокаливаемость, т.е. способность закаливаться на определенную глубину. Чем меньше критическая скорость закалки, тем на большую глубину от поверхности детали распространяется закалка.   
 

12. Понятия “закаливаемость” и “прокаливаемость”.

     Закаливаемость стали – это ее способность приобретать максимально высокую твердость после закалки. Она возрастает с увеличением содержания углерода. Углеродистые стали, содержащие менее 0,3 % углерода, не закаляются.

     Прокаливаемость – глубина закаленного слоя или, другими словами, глубина проникновения мартенсита. Она зависит от химического состава, размеров деталей и условий охлаждения. Легирующие элементы, а также увеличение содержания углерода (0,8%) в стали способствуют увеличению ее прокаливаемости. 
 

13. “Полоса прокаливаемости”. Описание “полосы прокаливаемости” стали, заданной номером рисунка в варианте задания.

     В заданном варианте рассматривается  “полоса прокаливаемости” для стали  марки 38ХС (чертеж 11).

     Полоса  прокаливаемости – линии верхней  и нижней границы, между которыми должны укладываться кривые прокаливаемости HRC(z) всех плавок. Кривая прокаливаемости – Распределение твердости HRC(z) с расстоянием z от торца образца цилиндра. Полосу прокаливаемости нормируют для каждой конструкционной стали ГОСТ 1050 и ГОСТ 4543.

     Рассмотрим  полосу прокаливаемости для стали  марки 38ХС.

     На  графике изображены кривые прокаливаемости. Кривые прокаливаемости показывают зависимость твердости HRC от Rt(расстояние от охлаждаемого торца образца). Измерение расстояний Rt во время испытаний находится в промежутке (1<=Rt<=35) мм с интервалом измерений ΔRt=1,5 мм.

     При Rt=1мм 46<HRC<57

     При Rt=18мм 34<HRC<51

     При Rt=30мм       29<HRC<46

     Чем больше расстояние от охлаждаемого образца, тем хуже прокаливаемость, и следовательно  твердость (HRC).

     Проанализируем  таблицы соответствия между величиной  HRC(z) и диаметром прутка (d).

     1). Спокойная вода.

     На  поверхности HRC=96, независимо от диаметра прутка (d).

     Прокаливаемость в центре прутка и ¾R от центра зависит от диаметра прутка.

     В центре прутка HRCmax=92 при d=25,5–27мм

     2). Спокойное масло.

     В данной закалочной среде прокаливаемость изменяется на поверхности прутка в зависимости от его диаметра.

     HRCmax=98 при d=19,5–27мм. (поверхность).

     HRC=92 при d=25,5–27мм. (¾R от центра).

     HRC=75 при d=27мм. (центр прутка).

     Вывод:

     1). С ростом диаметра прутка, HRC(d) увеличивается до определенного значения.

     2). Максимальной закаливаемости HRC=176 можно добиться в спокойной воде на расстоянии ¾R от центра, при d=22,5мм

     3). Закаливаемость стали выше в  спокойной воде,  при любом  диаметре прутка и в различных  местах замера твердости. 
 

14. Стали пониженной прокаливаемости и для каких деталей их применяют.

     В сталях пониженной прокаливаемости (как 55ПП – сталь 58 по ГОСТ 1050) гарантируется низкая прокаливаемость при высоком содержании углерода.

     Стали пониженной прокаливаемости можно применять для деталей с твердой поверхностью, при вязкой сердцевине (шестерни, зубчатые передачи).