Материаловедение. 2

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Санкт-Петербургский  Государственный Университет

Сервиса и Экономики 

ИНСТИТУТ  СЕРВИСА АВТОТРАНСПОРТА, КОММУНАЛЬНОЙ И БЫТОВОЙ

ТЕХНИКИ

Кафедра «Общепрофессиональных дисциплин» 
 
 
 

Курсовая работа по дисциплине: 
 
 
 
 

Материаловедение 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил  студент        Григорьев Ю. В.                

Группа             31                  _.

Шифр         100101             _.

Руководитель       Перфильев А.Н.

Оценка__________________

Дата  защиты__________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Старая  Русса

2008 г.

 СОДЕРЖАНИЕ: 
 
 

Введение…………………………………………………………………………3 стр.

1. Схематическое изображение различных форм графита в сером чугуне. Как влияет форма графитных включений на механические свойства  …………….4 стр.

2. Как и с какой целью осуществляется азотирование и цианирование стали?  Какие детали подвергаются цианированию?........................................................ 9 стр.

3. Как классифицируются легированные стали по структуре в нормализованном состоянии? Примеры использования этих сталей………………........................12 стр.

4. Классификация пластмасс в зависимости от реакции получения полимеров и от их физико-химических свойств………………………………..............................17 стр.

Заключение.……………………………………………………………………...37 стр.

Список используемой литературы……………………………………………..38 стр. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.Введение 

   Материаловедение  изучает закономерности, определяющие строение и свойства материалов в  зависимости от их состава и условий  обработки, и является одной из основных дисциплин, определяющих подготовку инженеров-машиностроителей.

   Несмотря  на все более широкое использование  неметаллических материалов, металлы  и сплавы останутся и в ближайшем  будущем основным конструкционным  и инструментальным материалом. Поэтому я основное внимание уделил металлам.

В последнее  время широкое применение нашли  композиционные материалы на основе металлов, полимеров и керамики.

   В своей курсовой работе я рассматриваю природу и свойства серых чугунов, для чего делают азотирование и цианирование стали, по каким признакам делают классификацию легированных сталей, а так же классификацию пластмасс. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.  Схематическое изображение  различных форм графита в сером чугуне. Как влияет форма графитных включений на механические свойства. 
 

  Сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода, называются чугунами. В отличие от стали чугуны имеют более высокое содержание углерода, заканчивают кристаллизацию образованием эвтектики, обладают низкой способностью к пластической деформации и высокими литейными свойствами. Их технологические свойства обусловлены наличием эвтектики в структуре. Стоимость чугунов ниже стоимости стали.

 Чугуны  выплавляют в доменных печах, вагранках  и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают предельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Предельные и специальные чугуны используют для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20 % всего выплавляемого чугуна используют для изготовления литья.

 В литейном чугуне обычно содержится не более 4,0 % углерода. Кроме углерода обязательно присутствуют примеси S, Р, Mn, Si, причем в значительно большем количестве, чем в углеродистой стали.

 В зависимости  от формы выделения углерода в чугуне различают:

1. Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe₃C. Чугун в изломе имеет белый цвет и характерный блеск.
2. Половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8%) находится в виде цементита. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.

  3. Серый  чугун, в котором весь углерод  или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в связанном состоянии в виде цементита составляет не более 0,8 %,

 4. Чугун  с отбеленной поверхностью, в  котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой — белого чугуна. Отбеленный слой получают в толстостенных массивных деталях при их литье в металлические формы. По мере удаления от поверхности, вследствие уменьшения скорости охлаждения, структура белого чугуна постепенно переходит в структуру серого. Чугун поверхностного слоя

 в микроструктуре содержит много твердого и хрупкого цементита, который хорошо сопротивляется износу. Поэтому чугуны с отбеленной поверхностью используют для деталей с высокой износостойкостью, для валков прокатных станов, для мукомольных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, лемехов плугов с отбеленными носком и лезвием. Отбел может достигаться благодаря местному увеличению скорости охлаждения за счет установки в литейную форму холодильников в виде металлических вставок.

 5.Высокопрочные чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму.

 6.Ковкие чугуны, получающиеся из белых чугунов путем отжига, 
при котором углерод переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита.

 Графитизация  чугуна, т. е. образование графита  вместо цементита, зависит от ряда факторов. К ним относятся присутствующие в чугуне центры графитизации, скорость охлаждения и химический состав.

 Чем медленнее происходит охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации.

 В одной  и той же отливке чугун может  иметь различную структуру. В  тонких частях отливки, где выше скорость кристаллизации и охлаждения, чугун имеет меньшую степень графитизации, чем в массивных. Быстрое охлаждение способствует получению белого чугуна, более медленное — серого чугуна.

 В некоторых  случаях для достижения высокой  твердости и сопротивления износу специально получают отбеленную зону в чугунной отливке. Для этого в литейную форму вставляют металлические холодильники, обеспечивающие высокую скорость затвердевания и охлаждения с образованием цементита. Так поступают при отливке чугунных лемехов, устанавливая холодильники в тех местах, где расположены лезвие и носок.

 Из  примесей, входящих в состав чугуна, наиболее сильное положительное влияние на графитизацию оказывает кремний. Содержание кремния в чугуне колеблется от 0,5 до 4-5 %. Меняя содержание кремния, можно получать чугуны, совершенно различные по структуре и свойствам.

 Из  других элементов, входящих в состав чугуна, наиболее важную роль играют марганец, сера и фосфор.

 Марганец  препятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Содержание марганца в чугуне обычно не более 0,5—1,0 %.

 Сера является вредной примесью в чугуне. Ее отбеливающее влияние в 5-6 раз выше, чем марганца. Кроме того, сера способствует образованию газовых пузырей, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин.

 Влияние фосфора в чугуне существенно  отличается от его влияния в стали. Хотя фосфор почти не влияет на графитизацию, он является полезной примесью, увеличивая жидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой (950-980 °С) фосфидной эвтектики.

 Обычно  используют чугуны следующего химического  состава, %: 3,0-3,7 С, 1-3 Si, 0,5-1,0 Мп, менее 0,3 Р и 0,15 S.

 Иногда  в чугун вводят легирующие элементы (Ni, Сг и др.), улучшая его свойства, в частности коррозионную стойкость и жаростойкость.

 Микроструктура  чугуна состоит из металлической  основы и графитных включений. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера включений графита.

  Металлическая основа может быть: перлитной, когда 0,8 % углерода находится в виде цементита, а остальной углерод в виде графита; феррито-перлитной, в которой количество углерода в виде цементита составляет менее 0,8 %; ферритной. Структура металлической основы определяет твердость чугуна.

Графит  в сером чугуне — пластинчатый; в ковком чугуне — хлопьевидный; в высокопрочном — шаровидный (рис. 3.1). По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность, поэтому места его залегания можно считать нарушениями сплошности. Таким образом, чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. В связи с этим серый чугун имеет низкие характеристики механических свойств (ст_., 8, у) при испытаниях на растяжение. Включения графита играют роль концентраторов напряжений, поэтому работа удара близка к нулю. Вместе с тем твердость и прочность при испытаниях на сжатие, зависящие от свойств металлической основы, у серого чугуна достаточно высоки. 

Рис. 3.1 Различные формы графита в  чугуне:

а — пластинчатый графит  б— хлопьевидный  в — шаровидный

  Однако  серый чугун с пластинчатой формой графита имеет и ряд преимуществ. Он позволяет получать дешевое литье, так как при низкой стоимости обладает хорошей жидкотекучестью и малой усадкой. Включения графита делают стружку ломкой, поэтому чугун легко обрабатывается резанием. Благодаря смазывающему действию графита чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами, имеет высокие демпфирующие свойства, хорошо гасит вибрации и резонансные колебания.

  Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, характеризующими величину временного сопротивления при испытаниях на растяжение.

   Из  серых чугунов марок СЧ 10, СЧ 15 изготавливают малоответственные детали типа станин, корпусов клапанов и вентилей с толщиной стенки до 15 мм. Их используют в качестве вкладышей подшипников и сменных втулок на шейки валов свекломоек, для отдельных деталей пельменных и котлетных автоматов.

   Серые чугуны марок СЧ 20 и СЧ 25 применяют  для более ответственных деталей с толщиной стенки до 30 мм, работающих в условиях трения. К ним относятся: шнеки и цилиндры волчков для мяса, шестерни и червячные колеса фаршемешалок, колодки жировых сепараторов.

   Чугуны  марок СЧ 30, СЧ 35 идут на изготовление тяжелонагруженных деталей сложной  формы с толщиной стенок до 100 мм, таких, как стаканы и крышки цилиндров, небольшие коленчатые валы, головки матриц макаронных прессов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.Как и с какой целью осуществляется азотирование и цианирование стали? Какие детали подвергаются цианированию? 
 

 Азотирование  стали

 Азотированием называется процесс насыщения поверхностного слоя азотом. Целью азотирования является создание поверхностного слоя с особо высокой твердостью, износостойкостью, повышенной усталостной прочностью и сопротивлением коррозии в водной среде, паровоздушной и влажной атмосфере.

 Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 ч) деталей в атмосфере аммиака при температуре 500-600 °С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды, и твердость уменьшается. Азотирование проводят в стальных, герметически закрытых ретортах, в которые поступает аммиак. Реторту помещают в нагревательную печь. Поступающий из баллонов аммиак при нагреве разлагается на азот и водород: NH₃-» ЗН + N.

 Активные  атомы азота проникают в решетку а-железа и диффундируют в ней. Образующиеся при этом нитриды железа еще не обеспечивают достаточно высокой твердости. Высокую твердость азотированному слою придают нитриды легирующих элементов, прежде всего хрома, молибдена, алюминия. При совместном легировании стали хромом, молибденом, алюминием твердость азотированного слоя достигает 1200 HV, в то время как после цементации и закалки твердость равна 900 HV.

 Благодаря высокой твердости нитридов легирующих элементов азотированию обычно подвергают легированные среднеуглеродистые стали. К таким сталям относятся: 38Х2МЮА, 35ХМА, более дешевая 38Х2Ю6, а так же некоторые штамповые стали, например ЗХ2В8,5ХНМ.

 Азотированию  обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском 600-675 "С, температура которого выше максимальной температуры азотирования). После такой термической обработки металл приобретает структуру сорбита, имеющую высокие прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Высокая твердость после азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки. Это важное преимущество процесса азотирования.

 Участки, не подлежащие азотированию, защищают нанесением тонкого слоя олова (10-15 мкм) электролитическим методом или жидкого стекла. Глубина азотированного слоя составляет 0,3-0,6 мм. Из-за сравнительно низких температур скорость азотирования значительно меньше, чем скорость цементации, и составляет всего 0,01 мм/ч и менее. По сравнению с цементацией азотирование имеет ряд преимуществ и недостатков.

 Преимуществами  азотирования являются более высокая твердость и износостойкость поверхностного слоя, сохранение им высоких свойств при нагреве до 500 °С, а также высокие коррозионные свойства. В азотированном слое создаются остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность. Кроме того, после азотирования не требуется закалки, что позволяет избежать сопутствующих ей дефектов.

 Недостатками  азотирования по сравнению с цементацией  являются более высокая длительность процесса и необходимость применения дорогостоящих легированных сталей. Поэтому азотирование применяют в случае изготовления более ответственных деталей, обеспечивающих особо высокое качество поверхностного слоя.

 Азотирование  применяют в машиностроении для  изготовления измерительного инструмента, гильз, цилиндров, зубчатых колес, шестерен, Втулок, коленчатых валов и др. 
 
 
 

 Цианирование  стали

 Цианированием (нитроцементацией) называется процесс совместного насыщения поверхности стальных деталей азотом и углеродом. Основная цель цианирования состоит в повышении твердости и износостойкости деталей.

 При цианировании нагрев осуществляется либо в расплавленных ' Волях, содержащих цианистые соли NaCN или KCN, либо в газовой среде, состоящей из смеси СН₄ и NH₃. Состав и свойства цианирования зависят от температуры проведения цианирования. В зависимости от температуры процесса различают высокотемпературное (850-950 °С) и низкотемпературное (500-600 °С) цианирование. Чем выше температура цианирования, тем меньше насыщение повер-1рностного слоя азотом и больше углеродом. Совместная диффузия углерода и азота протекает быстрее, чем у каждого из них в отдельности.

 При низкотемпературном цианировании поверхностный  слой насыщается преимущественно азотом. Низкотемпературному цианированию ,8бьгчно подвергают окончательно изготовленный и заточенный режущий Инструмент из быстрорежущих марок стали с целью повышения его износостойкости и красностойкости. После низкотемпературного цианирования отпуск не производится. Глубина цианированного слоя твердостью ЯЮ0 HV составляет 0,01-0,04 мм.

 После высокотемпературного цианирования на глубину 0,6-1,8 мм в течение 3-10 ч детали подвергают закалке и низкому  отпуску. Твердость. После термообработки составляет 59-62 HRC.

 По  сравнению с цементированным  цианированный слой имеет несколько более высокие твердость и износостойкость, а также повышенное сопротивление коррозии. В ваннах можно подвергать цианированию мелкие детали, например детали часовых механизмов, для которых достаточно получение слоя небольшой толщины.

 Недостатком цианирования является более высокая стоимость процесса, связанная с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности из-за высокой токсичности цианистых солей. 

4.Как классифицируются легированные стали по структуре в нормализованном состоянии?  Примеры использования этих сталей. 
 

   Элементы, специально вводимые в  сталь для изменения ее строения  и свойств, называют легирующими. Стали, содержащие легирующие элементы, называются легированными. При этом если содержание кремния превышает 0,4 % или марганца 0,8 %, то они также относятся к легирующим элементам.

 Появление и широкое распространение легированных сталей обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к материалам по мере совершенствования техники. Легирование производится с целью изменения механических (прочности, пластичности, вязкости), физических (электропроводности, магнитных характеристик) и химических (коррозионной стойкости в разных средах) свойств.

 Необходимый комплекс свойств обычно обеспечивается не только легированием, но и термической обработкой, позволяющей получать наиболее оптимальную структуру металла. Легированные стали дороже углеродистых, поэтому применять их без термической обработки нерационально.

 Основными легирующими элементами являются: Сг, Ni, Мп, Si, W, Mo, V, Al, Си, Ti, Nb, Zr, В. Часто сталь легируют не одним, а несколькими элементами, например Сг и Ni, получая хромоникелевую сталь, Сг и Мп — хромомарганцевую сталь, Сг, Ni, Mo, V — хромоникельмолибденова-надиевую сталь.

 Все легирующие элементы можно разделить на две группы: расширяющие у-область — аустенитообразующие легирующие элементы и сужающие у-область (расширяющие область а-твердых растворов) — ферритообразующие легирующие элементы.

 К числу  аустенитообразующих легирующих элементов  относятся: Ni, MN, Со, Си, C,N.

 К числу  ферритообразующих легирующих элементов  относятся: Сг, Si, Al, Mo,V,Ti,W,Nb, Zr.

 При легировании сталей аустенитообразующими элементами в большом количестве может произойти полное «выклинивание» области Fe_a, и в этом случае стали будут иметь аустенитную структуру при комнатной температуре — аустенитные стали.

 При легировании сталей ферритообразующими элементами в большом количестве может произойти «выклинивание» области Fe^, и стали приобретут чисто ферритную структуру — ферритные стали.

 При комбинированном легировании сталей аустенито- и ферритообразующими элементами структура стали будет состоять из аустенита и феррита, а стали будут аустенитно-ферритные.

 В большинстве  конструкционных сталей феррит при  температуре эксплуатации является основной структурной составляющей, занимающей не менее 90% от объема металла. Поэтому от свойств феррита во многом зависят свойства стали в целом. Чем больше разница в атомных размерах железа и легирующего элемента, тем больше искажение кристаллической решетки, тем выше твердость, прочность, но ниже пластичность и особенно вязкость феррита.

 2  

 На  рис. 3.15 видно, что все основные легирующие элементы повышают твердость феррита. При этом хром и особенно никель почти не уменьшают вязкость стали. Никель наиболее сильно понижает порог хладноломкости. Кроме того, никель, хром, марганец и некоторые другие элементы, хорошо растворимые в аустените, повышают его устойчивость при охлаждении, тем самым повышая прокаливаемость стали. Наиболее эффективно никель и хром увеличивают прокаливаемость стали при одновременном введении в сталь, т. е. при так называемом комплексном легировании. 
 
 
 
 
 

 Рисунок показывает влияние легирующих элементов  на свойства медленно охлажденного (нормализованного) феррита и порог хладноломкости: а - твердость; б - ударная вязкость; в - порог хладноломкости (по А. П. Гуляеву) 

 Возможность достижения высокой прочности, пластичности, вязкости, прокаливаемости делает никель и хром важнейшими легирующими элементами в конструкционных сталях.

 Классификация легированных сталей

 Легированные  стали классифицируют по структуре  в равновесном состоянии, по структуре после охлаждения на воздухе, по равновесной структуре стали делятся на: доэвтпектоидные с избыточном ферритом в структуре, эвтектоидные с перлитной структурой, заэвтектоидные с избыточными карбидами, ледебуритные, в структуре которых присутствуют первичные карбиды, выделившиеся из жидкой стали. Последнее обстоятельство объясняется тем, что легирующие элементы сдвигают влево точки 5, Е диаграммы железо-углерод. Поэтому граница между перечисленными сталями проходит при меньшем содержании углерода по сравнению со значениями, указанными на диаграмме Fe-Fe₃C.

 Учитывая, что некоторые элементы резко  сужают или расширяют область у-железа, кроме этих групп сталей различают аустенитные и ферритные.

 Углеродистые  стали бывают только первых трех классов, легированные — всех шести классов.

 По  структуре после охлаждения на воздухе  различают: перлитные стали, характеризующиеся низким содержанием легирующих элементов и соответственно невысокой устойчивостью переохлажденного аустенита; мартенситные стали со средним содержанием легирующих элементов и соответственно высокой устойчивостью аустенита и аустенитные стали, содержащие большое количество легирующих элементов и сохраняющие аустенитную структуру при комнатной температуре.

 По  количеству легирующих элементов различают  низколегированные стали, содержащие до 2,5 %, среднелегированные — от 2,5 до 10 % и высоколегированные — более 10 % легирующих элементов.

 По  назначению различают три группы сталей: конструкционные (машиностроительные и строительные), инструментальные (штамповые, для режущего и измерительного инструмента) и с особыми физическими и химическими свойствами (коррозионностойкие, жаропрочные, электротехнические, магнитные и др.).

 3.8. Маркировка  сталей по российским и международным  стандартам

 3.8.1. Принципы  маркировки сталей в России

 В России принята буквенно-цифровая система  маркировки легированных сталей. Каждая марка стали содержит определенное сочетание букв и цифр. Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита: X — хром, Н — никель, В — вольфрам, М — молибден, Ф — ванадий, Т — титан, Ю — алюминий, Д — медь, Г—марганец, С — кремний, К — кобальт, Ц — цирконий, Р — бор, Б — ниобий. Буква А в середине

 марки стали показывает содержание азота, а в конце марки — на то, что сталь высококачественная.

 Для конструкционных марок стали  первые две цифры — это содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента больше 1 %, то после буквы указывается его среднее значение в целых процентах. Если содержание легирующего элемента около 1 % или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится.

 В качестве основных легирующих элементов в  конструкционных сталях применяют, %: до 2 Сг, 1-4 Ni, до 2 Мп, 0,6-1,2 Si. Такие легирующие элементы, как Mo, W, V, Ti, обычно вводят в сталь в сочетании с Сг, Ni с целью дополнительного улучшения тех или иных физико-механических свойств. В конструкционных сталях эти элементы обычно содержатся в следующих количествах, %: 0,2-0,4 Мо; 0,5-1,2 W; 0,1-0,3 V; 0,1-0,2 Ti.

 Например, сталь марки 18ХГТ содержит, %: 0,17-0,23 С; 1,0-1,3 Сг, 0,8-1,1 Мп, около 0,1 Ti.

 Сталь марки 38ХНЗМФА содержит, %: 0,33-0,40 С; 1,2-1,5 Сг; 3,0-

 3.5 Ni; 0,35-0,45 Мо; 0,1-0,18 V; сталь марки ЗОХГСА - 0,32-0,39 С; 
1,0-1,4 Сг; 0,8-1,1 Мп; 1,1-1,4 Si.

 В инструментальных сталях в начале обозначения марки  стали ставится цифра, показывающая содержание углерода в десятых долях процента. Начальную цифру опускают, если содержание углерода составляет около 1 % или более.