Министерство  образования и  науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Санкт  Петербургский государственный  университет

  Сервиса и Экономики 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат по

Материаловедению   
 
 

Работу  выполнил

Студент 2 курса 

Добуш Р.С.

Проверила

Преподаватель 
 
 
 
 
 
 
 

Старая  Русса

2011

Содержание 

1.Содержание.

2. Вопрос «Микроструктура металлов»

3. Вопрос 2 «Термическая обработка чугуна»

4. Вопрос 3 «Каково влияние лигирующих элементов на основные превращение в стали»

5. Вопрос 4 «Технология изготовление изделий из пластмасс»

6. Список литературы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Микроструктура металлов.

Внутренняя структура  и состав металлов неоднородны, так  как обычно они состоят из многочисленных зёрен в виде прилегающих друг к другу кристаллитов. Чаще всего эти неоднородности имеют микроскопические размеры, поэтому соответствующие разновидности внутренней структуры называются микроструктурами.

С точки зрения геометрических параметров микроструктуры могут различаться по величине, форме и ориентировке зёрен. Различия в составе характеризуются относительным количеством зёрен присутствующих фаз и локальной сегрегацией внутри отдельных зёрен.

Наиболее характерной  особенностью микроструктуры является присутствие внутренних границ, разделяющих зёрна в металле. Независимо от того, будут ли это границы между разориентированными зернами одной фазы или между зернами различных фаз, они представляют собой резкие изменения внутренней структуры металла.

Микроструктура и соответственно свойства металла не постоянны, они могут видоизменяться под влиянием различных внешних факторов, таких как:

• механические силы,
• тепловое воздействие,
• химическое взаимодействие.

Поэтому микроструктура зависит от режимов обработки и условий эксплуатации металла.

В металле, содержащем только одну фазу, микроструктуры могут отличаться друг от друга лишь величиной зерна, его формой и ориентировкой. Микроструктуры многофазных материалов различаются не только по размеру, форме и ориентировке зёрен, как это характерно для однофазных металлов, но также и по относительному количеству и взаимному расположению двух или более присутствующих фаз.

Микроструктура - это строение металла или сплава, видимое при больших увеличениях с помощью микроскопа. Анализ микроструктуры даёт возможность определить величину и расположение зёрен металла, размеры и количество мелких неметаллических включений и различных фаз в металле, проконтролировать состояние структуры поверхностного слоя изделия, выявить микродефекты (см. Дефекты отливок), а также некоторые дефекты кристаллического строения (дислокации и их скопления).

Закономерности  образования структуры металлов и сплавов исследуетМеталлография, изучая макро- и микроструктуру металла, атомно-кристаллическое строение, влияние структуры на механические, электрические, магнитные и другие свойства.

Микроструктура металлического материала определяется формой, размерами, относительным количеством и взаимным расположением кристаллов отдельных фаз или их совокупностей, имеющих однообразный вид. Под тонкой структурой (субструктурой) понимают строение отдельных зёрен, определяемое расположением дислокаций и других дефектов кристаллической решётки.

Микроструктуру сплавов изучают под микроскопом при различных увеличениях на хорошо приготовленных шлифах. Для выявления микроструктуры сплавов применяют следующие методы: химическое травление, электролитическое травление, магнитный метод, тепловое травление, травление в расплавленных солях, катодное травление, усиление рельефа микроструктуры после объёмных превращений. Для выявления микроструктуры используют специально подобранные кислоты и щёлочи различной концентрации, растворы различных солей и их смеси, различные составы электролитов, нагревание до различной температуры на воздухе или в специальной среде газов и паров, нагревание до определённых температур при пропускании электрического тока. На поверхности шлифа происходит растворение одних фаз, окисление и окрашивание других. В результате на шлифе под микроскопом можно увидеть очертания зёрен и различных фаз, определить их взаимное расположение; по цвету, форме и размерам определить присутствующие в сплаве фазы, то есть выявить микроструктуру сплава.

К прямым методам  исследования структурного состояния  вещества относятсяоптическая металлография, электронная микроскопия, рентгеновский анализ и др.

Для изучения микроструктуры металлов используют металлографические микроскопы. Оптическим микроскопом можно исследовать и фотографировать детали микроструктуры, размеры которых не превышают 0,4-0,6 мкм. Полученное изображение микроструктуры можно увеличивать, но новые детали структуры при этом не выявляются. Для того чтобы более глубоко и подробно изучить строение мелкодисперсных структур и границ зерен, блочное строение и дислокационную структуру, применяют метод электронной микроскопии. Применение метода рентгеноструктурного анализа позволяет определить степень совершенства кристаллов, их ориентировку, глубоко изучить структурные изменения. Для решения задач рентгеноструктурного анализа используют дифрактометры.

После вышеперечисленных  подготовительных этапов по выявлению микроструктуры и получению её изображений, сегодня становится целесообразным проведение исследования микроструктуры методами автоматического анализа изображения (ААИ). Хотя единого стандарта на эти методы пока нет, тем не менее автоматические анализаторы изображения совершенствуются с каждым днём; нормативы на приборы, ПО и методы измерения уже разрабатываются, и справедливо ожидать появления соответствующих стандартов в скором времени.

Термическая обработка чугуна.

  Термическая обработка, совокупность операций теплового  воздействия на материалы с целью  изменения структуры и свойств  в нужном направлении¹. От правильного выполнения термической обработки зависит качество и стойкость изготовляемых деталей машин и механизмов, инструмента и другой продукции. Для проведения термической обработки требуются не только глубокие знания теории и практики, но и умение самостоятельно выбрать и разработать наиболее эффективный технологический процесс термической обработки для различных деталей и инструментов, умение выбрать наиболее рациональный метод контроля, установить причины дефектов, методы их предупреждения и исправления, использовать все технические возможности и правильно организовать работу .

  При термической  обработке в результате нагрева  до определённой температуры и охлаждения происходит изменение структуры  и, как следствие этого, изменение  механических и физических свойств.

  Все превращения, происходящие в результате нагревания до определённой температуры и охлаждения в сталях и чугунах, можно проследить по диаграмме железо – углерод (Fe – C), которая является фундаментом  науки о стали и чугуне. Углерод с железом образует химическое соединение - цементит или может находиться в сплаве в свободном состоянии в виде графита. Соответственно существуют две диаграммы сплавов железо – углерод: цементитная и графитная. Виды чугунов. 

  Чугунами  называют сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода больше 2.14%. Они содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а иногда и легирующие элементы ( Cr, Ni, V, Al и др.); как правило хрупок. В зависимости от состояния углерода в чугуне различают: белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны. 

  белый чугун  серый чугун высокопрочный ковкий чугун

  чугун 

  Весь углерод  в белых чугунах находится  в связанном состоянии в виде цементита. В зависимости от содержания углерода белые чугуны делят на эвтектический, доэвтектический и заэвтектический.

  Эвтектический чугун – это чугун с содержанием  углерода 4.3% имеет структуру ледебурита.

  Доэвтектический чугун - это чугун с содержанием  углерода от 2.14 до 4.3% имеет структуру  перлит + вторичный цементит + ледебурит.

  Заэвтектический чугун - это белый чугун с содержанием углерода от 4.3 до 6.67 % имеет структуру цементит первичный + ледебурит. 

  эвтектический доэвтектический заэвтектический

  чугун чугун  чугун 

  Образование структур белых чугунов, в которых  углерод находится в связанном  состоянии в виде цементита, характеризуется по диаграмме состояния сплавов системы железо – цементит (Fe-Fe₃C ) . Диаграмма состояния сплавов системы железо – графит характеризует образование структур чугунов, в которых весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита, то есть нет цементита и структура феррито – графитная¹.

  Но при  производстве чугунов выяснилось, что  кроме белых и феррито –  графитных чугунов можно получить и чугуны, в структуре которых  имеются и графит, и цементит, то есть часть углерода находится в свободном, а часть - в связанном состоянии;и такие чугуны получают в реальных условиях. 

  В производственных условиях получают чугуны со следующими структурами:

  1. феррит + перлит + графит (серый феррито – перлитный чугун). При ускорении охлаждения при температуре 738^о выделение графитного эвтектойда прекращается и оставшийся углерод переходит в цементит, в результате чего образуется часть перлита, следовательно, в этом чугуне есть и цементит, и графит. У такого чугуна основа доэвтектойдной стали ( феррит + перлит ) испещрена чешуйками графита¹. 

  2. перлит + графит (серый перлитный чугун) Если охлаждение ускоряется при температурах выше 738^о , то графитный эвтектойд не выделяется, а аустенит превращается в перлит. В этом чугуне, поскольку в перлит входит цементит,имеется цементит и графит. У такого чугуна основа эвтектойдной стали ( перлит ) и графитные включения в форме чешуек. 

  3. перлит + цементит вторичный (перлитно – цементитный чугун). У такого чугуна основа как у заэвтектойдной стали ( перлит + цементит вторичный ) и включения графита. При увеличении скорости охлаждения между температурами линии эвтектического и эвтектойдного превращения (1153^о-738^о) до перлитного превращения из аустенита выделяется не графит, а цементит. 

  4. перлит + цементит + графит или перлит + ледебурит + графит (половинчатыечугуны). В структуре таких чугунов наряду с графи- том наблюдается ледебурит(охлаждение ускорилось при эвтектическом превращении). Ледебурит состоит из цементита и перлита. В этих чугунах также имеется и цементит, и графит

  Термическая обработка чугунов.

Термическую обработку  чугунов проводят с целью снятия внутренних напряжений, которые возникают  при литье и вызывают изменения  размеров и формы отливки с  течением времени, снижение твёрдости  и улучшение обрабатываемости резанием, повышение механических свойств.

Чугун подвергают отжигу, нормализации, закалке и  отпуску, а также некоторым видам  химико-термической обработки (азотированию, алитированию, хромированию).

Отжигу для снятия внутренних напряжений подвергают чугуны при следующих температурах:

серый чугун  с пластинчатым графитом 500 –570^оС;

высокопрочный с шаровидным графитом 550 – 650^оС;

низколигированный 570 – 600^оС;

высоколигированный  чугун (типа нирезист) 620 – 650^оС¹.

Нагрев медленный  со скоростью 70 – 100^оС/ час, выдержка при температуре нагрева зависит от массы и конструкции отливки и составляет от 1-го до 8-ми часов. Охлаждение до 250^оС (для предупреждения возникновения термических напряжений) медленное, со скоростью 20 – 50^оС /ч, что достигается охлаждением отливки вместе с печью. Далее отливки охлаждают на воздухе².

При этом отжиге фазовых превращений не происходит, а снимаются внутренние превращения, повышается вязкость, исключается коробление и образование трещин в процессе эксплуатации.

Графитизирующий отжиг применяют для получения ковкого чугуна из белого чугуна и для устранения отбела отливок из серого чугуна.

Для получения ковкого чугуна используют белый доэвтектический чугун (2,5 – 3,0 % С; 0,5 – 1,5 % Si; 0,3 – 1,0 % Mn; 0,08 – 0,2 % Р; не более 0,12 % S), в котором при отжиге происходит распад цементита с образованием графита – графитизация белого чугуна.

  Модифицирование – это введение в металлические расплавы модифика-торов¹. Самым распространённым модификатором - элементом, применяемым для модифицирования чугуна, является аллюминий, добавляемый в небольшом количестве (0.01-0.02%).

  Отжиг с  предварительной закалкой заключается в том, что белый чугун подвергают закалке с 900-950^оС в воде или масле. При закалке, во время мартенситного превращения, образуются многочисленные микротрещины, в которых наиболее легко зарождаются центры графитизации.

  Отжиг с  предварительной низкотемпературной выдержкой заключается в том, что белый чугун выдерживают в течении 6-ти -- 8-ми часов при температуре 350-400^оС. Число центров графитизации увеличивается, и сокращается время отжига. Механизм влияния низкотемпературной выдержки ещё не установлен.

  Если ковкому  чугуну хотят придать одновременно повышенную прочность и пластичность, применяют сфероидизирующий отжиг, в результате которого получается структура зернистого перлита и графита. Используют белый чугун с повышенным содержанием марганца (около 1%). Марганец незначительно удлиняет первую стадию графитизации,но тормозит распад цементита во второй стадии, что позволяет дать выдержку, достаточную для превращения пластинчатого перлита в зернистый.

  Получение чугуна с зернистым перлитом можно  представить в виде следующих  схем :

  1.быстрое  охлаждение после первой стадии  графитизации до температуры  несколько ниже 700-720^оС и длительная выдержка при этой температуре;

  2.быстрое  охлаждение после первой стадии  графитизации до температуры  20^оС с последующим циклическим режимом - нагрев выше и охлаждение ниже температуры 700-720^оС повторяют несколько раз.

  Графитизирующий отжиг применяют также для устранения отбела отливок из серого чугуна, возникающего при литье в металлические формы, в связи с чем повышается хрупкость и резко снижается обрабатываемость. При проведении данного отжига отливки нагревают до 850-950^оС в течение 2-х—3-х часов (первая стадия графитизации) и охлаждают на воздухе до температуры 20^оС или проводят вторую стадию графитизации (от 2-х до 6-ти часов). Быстрый распад цементита объясняется повышенным содержанием в серых чугунах кремния (1.5-3%). В результате отжига устраняется отбел и структура становится перлитной,феррито-перлитной или ферритной.

  Низкотемпературный  отжиг применяют для снятия внутренних остаточных напряжений отливок серого чугуна. Данный отжиг проводят по следующему режиму: медленный нагрев отливок (30-180^оС/ч) до 530-620^оС, выдержка при этой температуре 1-4 часа (с момента нагрева до заданной температуры наиболее толстого сечения отливки) и медленное охлаждение вместе с печью со скоростью 10-30^оС/ч до 250-400^оС ². В результате такого отжига внутренние остаточные напряжения уменьшаются на 80-85% и увеличивается количество феррита. Отжиг при более высоких температурах может вызвать графитизацию эвтектоидного цементита, снижение твердости и прочности чугуна.  

  Каково  влияние лигирующих элементов на основные превращение в стали.

 
Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.  
 
Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.  
 
По применимости для легирования можно выделить три группы элементов:

• Mn,Si,Cr,B;
• Ni,Mo;
• V, Ti, Nb, W, Zr и др.

 
Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.  
 
Легирующие элементы по механизму их воздействия на свойства сталей и сплавов можно разделить на три группы:

• влияние на полиморфные (альфа-Fe -> гамма-Fe) превращения;
• образование с углеродом карбидов (Сг,Fе)₇С₃; (Сг,Ре)₂₃С₆; Мо₂С и др.;
• образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом — Fе₇Мо₆; Fe₃Nb и др.

 
В следующей таблице показано влияние  наиболее применяемых легирующих элементов на свойства стали.

 
 
По характеру влияние на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

• элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);
• элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма->альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

 
 
Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность.  
 
Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.  
 
Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести.  
 
Легированный аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.  
 
Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение.  
 
Карбидообразующие элементы: Fe — Mn — Cr — Mo — W — Nb — V — Zr — Ti (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве. Сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность.  
 
Интерметаллиды образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe₇Mo₆, Fe₃Nb₂ и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.

Технология  изготовление изделий из пластмасс.

Пластмасса (пластическая масса, применяемое иногда название «пластик» не является ошибкой) — материал, основу которого составляют полимеры (высокомолекулярные соединения). Под воздействием нагрева и давления они формируются в заданную форму, оставаясь таковой после охлаждения (отвердевания). Процесс формирования — переход из вязкотекучего состояния в стеклообразное.

Промышленное  развитие и применение пластмасс  началось в XIX веке с использования природных материалов (например, для изготовления жевательных резинок), затем в качестве сырья стали применяться химически модифицированные природные материалы (нитроцеллюлоза, резина), в итоге мы пришли к синтетическим полимерам (эпоксидная смола, поливинилхлорид, полиэтилен). Первой пластмассой считается паркезин (позже — целлулоид), названный так в честь Александра Паркса, который получил его в 1855 г. в Англии.

1866 год  считается годом начала массового  промышленного производства изделий из пластмассы, естественно, компанией, организованной А. Парксом, — Parkesine Company. И хотя компания развалилась из-за некачественных изделий, причиной тому послужили не свойства пластмасс, а желание сэкономить на материалах (компонентах).

Изделия из пластмасс стали постепенно завоевывать мир благодаря тому, что по своим качественным характеристикам они легко соперничают с такими материалами, как металлы, стекло и дерево, а по многим показателям и превосходят их. Собственно, свойства пластмасс как материала и послужили причиной интенсивного развития промышленного изготовления пластмассовых изделий.

Основные достоинства  пластмасс для производства:

· Возможность производить детали (изделия) самой сложной формы.

· Применение малоэнергоемких, безотходных и высокопроизводительных методов формования.

· Отменные эксплуатационные характеристики пластмасс — довольно низкая плотность, высокая устойчивость к воздействию агрессивных сред, вибраций и ударных нагрузок. Стойкость к воздействию внешней среды (антикоррозийность) и т. д.

· Возможность практически 100-процентной переработки вторсырья при правильной организации производства, что автоматически снижает затраты на закупку (производство) сырья.

· Кроме того, свойства пластмасс можно изменять путем их сочетания друг с другом (с другими материалами) или при помощи добавления в них различных наполнителей, пластификаторов, стабилизаторов (тепло- и свето-), что в итоге позволяет улучшать их качественные характеристики.

Естественно, нет материала, который бы не имел недостатков, и пластмасса не исключение. Наиболее характерными недостатками для пластмасс являются: горючесть, низкая термо - и теплостойкость, склонность к релаксации напряжения. При знании определенных условий эксплуатации действия этих недостатков пластмасс можно избежать.

Типы пластмасс, применяемых в производстве

Типы  пластмасс зависят от природы  основного полимера и качества конечного  продукта, который получается при  переходе из вязкотекучего состояния  в стеклообразное. К ним относятся:

· Термопластические пластмассы (термопласты) — расплавляются при нагреве и принимают исходное состояние при охлаждении (полиэтилен, полипропилен). Многократная обратимость переходов из одного состояния в другое позволяет производить переработку бытовых и производственных отходов вновь в изделия.

· Термореактивные пластмассы (реактопласты) — для них характерны более высокие рабочие температуры, но при нагреве они разрушаются и, соответственно, не восстанавливают первоначальных свойств. Прочный, но неплавкий и нерастворимый материал (эпоксидные смолы — углеволокно, т. н. композитные материалы, содержащие в составе большое количество стекловолокна, мела, сажи).

· Газонаполненные пластмассы (пенопласты, поропласты) — получаются на основе практически всех существующих сегодня полимеров. Наполнителем является газ. Характерные качества — звуко-, тепло-, электроизоляционные свойства.

Благодаря вышеперечисленным свойствам пластмасс, их высоким качествам и эксплуатационным параметрам изделий из них не стоит  снимать с весов и актуальность экологической чистоты пластмассовых изделий. Развитие промышленного производства пластмассы с каждым годом все больше набирает обороты.

Основные направления  промышленного производства пластмассовых  изделий  

1. Литье  пластмассы для различных отраслей промышленности. Литье под давлением — один из основных технологических процессов производства изделий из пластмассы. Пластмасса в расплавленном виде впрыскивается через литниковые каналы в пресс-форму под большим давлением, а затем охлаждается. Промышленные пластмассовые изделия, производство которых осуществляется методом литья под давлением, на сегодняшний день составляют практически половину от общего объема изделий из пластмасс. Данная технология применяется, как правило, для крупносерийного и массового производства. Это обусловлено высокой стоимостью оборудования и оснастки, а также высокой производительностью метода.