Свойства конструкционных материалов: стали и стекла

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Северо-Западный государственный заочный технический университет"

Практическая работа по дисциплине «Материаловедение»

Свойства конструкционных материалов: стали и стекла

Выполнила:

Фетисова Анастасия Викторовна

Санкт-Петербург

2012 г

Часть 1

Вариант 5

Определить по диаграмме железо-цементит, до какой области температур была нагрета сталь марки 45, если после закалки со скоростью выше критической ее структура состояла из феррита и мартенсита. Описать превращения, которые совершились в стали при охлаждении, и указать является ли выбранная температура нагрева стали удачной с точки зрения получения высоких механических свойств. Какова должна быть температура нагрева этой стали, чтобы при охлаждении со скоростью выше критической ее структура не содержала феррита?

Решение Сталь марки 45 — доэвтектоидная сталь. Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры на 30−50°С выше критической (А₃), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Температура точки А₃ для стали 45 составляет 755 °C, а А₁ равна 730 °C. Структура доэвтектоидной стали при нагреве её до критической точки А₁ состоит из зерен перлита и феррита. В точке А₁ происходит превращение перлита в мелкозернистый аустенит. Структура стали после закалки, состоящая из феррита и мартенсита может быть получена при неполной закалке, т. е., если сталь нагреть выше А₁, но ниже А₃, примерно, 740 °C.

(Температура нагрева стали 45 под неполную закалку составляет 730 — 755°С) При нагреве до температуры, примерно, 740 °C структура стали 45: аустенит + феррит. При охлаждении со скоростью выше критической структура обратные процессы (распад аустенита на смесь Ф+Ц) не успевают произойти полностью, но наличие полиформизма вызывает г>б превращение аустенита бездиффузионным мартенситным путем. В результате закалки б-фаза оказывается пересыщенной углеродом (мартенсит). После охлаждения со скоростью выше критической структура стали — мартенсит + феррит.

Рисунок 1 — «Стальной угол» диаграммы «Железо-цементит»

Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. Неполная закалка обеспечивает хорошие механические свойства и штампуемость.

Для того, чтобы при охлаждении со скоростью выше критической структура стали не содержала феррита температура нагрева этой стали должна быть нагрета на (30 — 50), °С выше точки А₃, т. е.

t_зак = А₃ + (30 — 50)°С = 755 °C + (30 — 50)°С =785 — 805°С

Часть 2

Вариант 10

1. Некоторые шестерни редукторов автомобилей изготавливают из стали 55ПП. Расшифровать марку, дать определение основной характеристики такой стали. Назначить режим термической обработки. Привести окончательную структуру и твердость в различных сечениях детали. Обосновать использование сталей этого типа, сравнив их со сталями, обычно применяемыми для подобных целей.

Решение

Cталь 55ПП — качественная конструкционная сталь пониженной прокаливаемости, содержащая 0,55 — 0,63% С и минимальную концентрацию примесей, увеличивающих прокаливаемость (0,2% Мп, не более 0,30% Si, не более 0,15% Сг и не более 0,25% Cu и Ni)

Назначение — детали с тонкими сечениями упрочняемых элементов: шестерни среднего модуля, втулки, пластины и другие детали; после поверхностного упрочнения с нагревом током высокой частоты (ТВЧ) — детали, к которым предъявляются требования высокой износостойкости при вязкой сердцевине, работающие при больших скоростях и средних удельных давлениях.

Температура критических точек: Ac₁ = 720 °C, Ac₃ = 785 °C Режим термической обработки: закалка 850 °C (скорость индукционного нагрева 30 град/с), охлаждение водяным душем. Процесс охлаждения после нагрева должен быть очень интенсивным, так как критическая скорость закалки стали 55ПП равна 1000—2000°/сек. Отпуск 180 °C, выдержка 1,5 ч.

При глубинном индукционном нагреве и интенсивном охлаждении водой детали из этой стали получают только поверхностную закалку. Закаленный слой имеет структуру — мартенсит, толщину 1−2 мм и высокую твердость (HRC — 58−62) c плавным переходом к сердцевине. Структура сердцевины — троостит или сорбит, твердость — HRC — 30−40 при достаточной вязкости).

После закалки при индукционном нагреве сталь марки 55ПП имеет более высокий предел прочности при изгибе, чем цементуемая сталь марки I2X2H4A. Максимальный предел прочности при изгибе цементуемой стали 12Х2Н4А равен 260 кГ/мм², а у стали 55ПП он достигает 300 кГ/мм² в закаленном состоянии.

При одинаковой твердости поверхности сталь 55ПП обладает большей ударной вязкостью, чем стали, содержащие никель. При твердости HRC 56−58 хромоникелевая сталь 20Х2Н4А в цементованном состоянии имеет ударную вязкость 4−5 кГм/см², а сталь марки 55ПП при той же твердости имеет ударную вязкость 8−14 кГм/см².

Применение этой дешевой стали дает большой экономический эффект.

2. Выбрать марку стали для роликовых подшипников (диаметр роликов не более 10 мм). Указать химический состав стали и роль легирующих элементов. Объяснить критерий выбора стали в зависимости от размера деталей подшипников. Назначить режим термической обработки, привести окончательную структуру и механические свойства стали.

Решение Для изготовления роликовых подшипников (диаметр роликов не более 10 мм) можно применить недорогую технологическую высокоуглеродистую хромистую сталь ШХ15

Химический состав стали:

Легирующие элементы — химические элементы, специально вводимые в сталь для получения заданных свойств. Улучшают механические, физические и химические свойства основного материала.

Основным легирующим элементом является хром (1,30−1,65)%. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали.

Прокаливаемость стали увеличивается по мере повышения концентрации хрома. Сталь ШХ15 предназначена для изготовления деталей подшипников поперечным сечением (10−20) мм; более легированные стали ШХ15СГ и ШХ20СГ — для деталей, прокаливающихся на большую глубину.

Для получения высокой прочности детали подшипников подвергают типичной для заэвтектоидных сталей термической обработке: неполной закалке от 820−850°С и низкому отпуску при 150−170°С.

После закалки в структуре стали сохраняется остаточный аустенит (8−15%), превращение которого может вызывать изменение размеров деталей. Для повышения стабильности их размеров перед отпуском детали подшипников охлаждаются до температуры не выше 20−25 °С, с целью уменьшения количества остаточного аустенита. Окончательно обработанная подшипниковая сталь имеет структуру мартенсита с включениями мелких карбидов и механические свойства стали: твердость — HRC 60−64, предел кратковременной прочности ?_в -2550 МПа, ударная вязкость KCU- 88Дж/см²

3. Выбрать легкий (г? 2,7 г/см³) сплав с прочностью у_в? 220…260 МПа для изготовления сложных отливок (головок и блоков цилиндров автомобильных двигателей, картеров коробки передач и сцепления). Привести марку сплава, химический состав, назначение легирующих элементов. Описать механические и технологические свойства сплава. Указать способ улучшения структуры сплава, повышающий его эксплуатационные свойства.

Решение Низкой плотностью (г?2,7 г/см³) обладают сплавы на основе алюминия Лучшими литейными свойствами обладают сплавы, в структуре которых имеется эвтектика. Образование эвтектики зависит от концентрации легирующих элементов (их содержание должно быть больше предельной растворимости в алюминии). Широкое применение имеют сплавы Al-Si, получившие название силумины. Их состав близок к эвтектическому сплаву, поэтому они обладают высокими литейными свойствами.

Для изготовления сложных отливок (головок и блоков цилиндров автомобильных двигателей, картеров коробки передач и сцепления) можно применить сплав АЛ4, обладающих хорошими литейными и противокоррозионными свойствами, хорошей свариваемостью и удовлетворительной обрабатываемостью резанием. По механическим свойствам он является одним из прочных силуминов. Его предел прочности при растяжении после упрочняющей термической обработки может достигать 290 МПа.

Маркировка сплава АЛ: А — означает, что сплав алюминиевый, Л — литейный, цифра — порядковый номер в ГОСТе.

Сплав АЛ4 относится к конструкционным герметичным сплавам.

Химический состав сплава: алюминий (Al) — (87,2 — 91,63)%, (кремний (Si) — (8−10,5)%, магний (Mn) — (0,17−0.3)%, марганец (Mn) — (0,2−0.5)%

Основными легирующими элементами являются: кремний — придает высокие литейные свойства; магний — в соединении с кремнием (MgSi) упрочняет сплавы в процессе термической обработки; марганец — улучшает стойкость сплавов против коррозии.

Механические свойства зависят от химического состава, технологии изготовления (модифицирования, способа литья и др.) и термической обработки. В силуминах с увеличением содержания кремния снижается пластичность и увеличивается прочность. Силумины с 9−12% кремния как правило, модифицируют натрием, который в виде хлористых и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2−3% от массы сплава. Благоприятное действие на механические свойства этих сплавов оказывает добавка магния в количестве (0,17−0,3)%. При введении большого количества магния пластические свойства сплава резко снижаются. Аналогичное действие оказывает и железо. Так, если относительное удлинение сплава АЛ4 при содержании 0,4% железа составляет 7−10%, то увеличение железа до 0,6% снижает его удлинение более чем вдвое, а при содержании железа 0,8% удлинение сплава уже не превышает 1%. Для устранения вредного влияния железа в сплав следует вводить марганец, который связывает железо в сложное химическое соединение, благоприятно влияющее на пластичность отливок.

Сплав АЛ4 обладает хорошими технологическими свойствами: высокая жидкотекучесть (59 мм), низкая линейная усадка (0,84%), отсутствие склонности к образованию горячих трещин, хорошая обрабатываемость резанием.

Механические свойства сплава могут быть значительно изменены в зависимости от добавок. Однако сплав АЛ4 обладает пониженной жаропрочностью, которую можно повысить введением в сплав присадок меди, марганца и др.

Применение термической обработки литых деталей существенно улучшает механические свойства сплава. После термической обработки предел прочности и относительное удлинение увеличиваются вдвое. Упрочнение достигается закалкой с последующим искусственным старением.

Сплав АЛ4 имеет сравнительно высокие механические и отличные литейные технологические свойства, поэтому его применяют в двигателестроении для литья сложных по конфигурации деталей (картеры, блоки цилиндров и т. д.)

4. Описать особенности строения и физико-механических свойств неорганических стекол. Охарактеризовать способы упрочнения листового стекла. Обосновать выбор материала для лобового стекла автомобиля.

сталь стекло свойство термообработка Решение Неорганическое стекло — это химически сложный, аморфный, макроскопически изотропный материал, обладающий механическими свойствами хрупкого твердого тела. Стекло получается после охлаждения расплава смеси неорганических соединений (в основном оксидов). Их свойства одинаковы по всем направлениям, т. е. они изотропны. При нагреве они не плавятся при постоянной температуре, как кристаллы, а постепенно размягчаются в значительном диапазоне температур, переходя в жидкое состояние. Расплавление их при повышении температуры и отверждение при понижении температуры происходит обратимо. По структуре — это твердые растворы.

Среди причин аморфного состояния неорганических стекол можно выделить две.

Первая причина заключается в том, что в области затвердевания расплав стекла имеет очень высокую вязкость

Вторая причина вытекает из особенностей ковалентной связи, определяющей взаимодействие атомов в оксиде. Ковалентная связь обладает двумя важными свойствами: насыщенностью и направленностью. Согласно насыщенности химической связи каждый атом стекла в пространстве имеет в соответствии со своей валентностью строго определенное количество «партнеров» по взаимодействию. Например, кремний 4-х валентен. И его атом должен иметь в непосредственном окружении четыре атома кислорода (в кварцевом стекле) с которыми он связан полярной ковалентной связью. Причем эти связи могут образовываться не произвольно, а под определенным углом друг к другу (принцип направленности). Все это очень затрудняет формирование регулярной, кристаллической структуры. В высоковязкой среде в структуре стекла при охлаждении может образоваться только ближний порядок в расположении атомов

Физико-химические свойства стекла зависят от его состава и степени обработки. Наименьшую плотность (~2,3 г/см³) имеет кварцевое стекло, состоящее только из оксида кремния. Наиболее тяжелые свинцовые стекла, содержащие много оксида свинца (до 80%), имеют плотность около 8 г/см³.

Предел прочности стекла при растяжении невелик (8,107Н/м²) и увеличивается при повышении содержания в нем SiO₂ и CaO. Щелочные оксиды снижают прочность стекла. Сжатию стекло противостоит гораздо лучше, чем растяжению, и предел прочности при сжатии и растяжении может различаться на порядок.

Стекло очень хрупкий материал; наименьшей хрупкостью обладают боросвинцовые стекла. Кварцевое стекло остается хрупким при нагреве до температуры ~ 400 °C, при дальнейшем нагреве стекло постепенно размягчается и становится вязкой жидкостью. Процесс перехода стекла из твердого состояния в жидкое не характеризуется сколько-нибудь определенной температурой плавления. При правильном охлаждении жидкого стекла этот процесс происходит в обратном направлении также без кристаллизации (деаморфизации).

Способы упрочнения листового стекла.

Термическое упрочнение (закалка) стекла осуществляется быстрым и равномерным его охлаждением, нагретого выше температуры стеклования в потоке воздуха или в маслах. Упрочнение стекла закалкой связано с появлением в стекле достаточно равномерно распределенных напряжений, которые в наружных слоях стекла вызывают напряжения сжатия, а во внутренних слоях — напряжения растяжения. Предел прочности стекла при сжатии примерно в 10−15 раз больше, чем предел прочности при растяжении.

Термохимическое упрочнение основано на закалке стекла и, кроме того, на изменении самой структуры и свойств его поверхностного слоя. Такое упрочнение производится быстрым охлаждением стекла, нагретого выше температуры стеклования, в подогретых полимерных кремнийорганических жидкостях. Дополнительное упрочнение объясняется образованием на поверхности стекла полимерных пленок Для лобового стекла автомобиля используется триплекс. Материал, состоящий из трех слоев; двух пластин силикатного или органического стекла и склеивающего соединительного слоя (обычно из поливинилбутираля). При ударе не разлетается на осколки, т. к. отдельные куски пластин удерживаются соединительным слоем. Применяется для остекления средств транспорта, скафандров.