Контрольная работа по "Материаловедению"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

1. Вычертите схему сифонной разливки стали (разливка снизу). Преимущества и недостатки этого метода разливки стали.          3-4
2. Задача №1                                                                                                   5-6              
3. Азотирование стали. Сущность и цель процесса азотирования.         Достоинства и недостатки процесса азотирования.                               7-8                
4. Пользуясь опытной формулой академика А.А. Бочвара вычислите температуры рекристаллизации меди и свинца. Объясните явление наклепа металлов и укажите, в каких случаях это явление не учитывается при обработке давлением чистых металлов.                     9
5. Начертите схему резания при работе на долбежных станках.            Покажите на ней главное движение и движение подачи. Поясните нумерацию станка модели 736.                                                                10
6. Список литературы                                                                                     11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Вычертите схему сифонной разливки стали (разливка снизу). Преимущества и недостатки этого метода разливки стали.

 

При сифонной разливке одновременно заполняется несколько изложниц (2—4—6—8 и т. д.). Схема разливки стали сифоном представлена на рис. 1. Изложницы устанавливают на массивной чугунной плите-поддоне. В центре поддона устанавливается центровая труба с приемной воронкой, в которую из ковша направляют струю стали. Труба изнутри футерована огнеупорными катушками. От центровой в поддоне расходятся каналы, по которым сталь растекается в направлении изложниц, установленных на концах каналов. Каналы также футеруют плотно состыкованными огнеупорными изделиями— проводками, имеющими снаружи форму канала поддона; а внутри круглый канал для прохода стали. Все соединения между огнеупорными изделиями и изложницей, центровой дополнительно уплотняются огнеупорной глиной. Сталь из ковша поступает в центровую и по литниковым каналам заполняет все изложницы, установленные на поддоне и связанные каналами с центровой (что соответствует закону сообщающихся сосудов). Таким образом наполнение изложниц в этом способе разливки происходит снизу. После наполнения всех изложниц данного куста стопор ковша закрывают и перевозят ковш на следующий поддон. Сифоном производят разливку почти всех качественных и легированных сталей.

 

 

Рис № 1

 

 

 

Преимущества способа  сифонной разливки относительно разливки сверху получение высокого качества поверхности слитка, связанного с  тем, что металл поступает снизу  и поднимается сравнительно медленно и спокойно, в связи с этим, слитки, отлитые сифонным способом, не требуют обдирки и значительной зачистки; исключение кюмпельной части слитка, ввиду отсутсвия необходимости ее наличия (кюмпель служит для сокращения времени разбрызгивания струи при ее ударе о дно изложницы на первых этапах разливки за счет более быстрого создания лунки металлического расплава); наличие возможности одновременной отливки нескольких слитков, что позволяет без прерывания струи залить сразу большую массу металла, равную массе каждого отдельного слитка, помноженной на количество одновременно заливаемых изложниц; упрощение системы защиты поверхности металла на разливке от вторичного окисления: для этого все изложницы закрывают крышками, под которые вводят аргон; аргоном надувают и весь сифонный припас; разливочный ковш опускают до касания шибером приемной воронки стояка; при тщательной сборке состава с изложницами, аккуратном обращении с сифонным припасом (без опасения испортить) можно разливать чистую сталь, прошедшую глубокое рафинирование на установках доводки металла; продолжительность разливки меньше, т.к. одновременно осуществляется отливка нескольких слитков, при этом плавку большой массы можно разливать в мелкие слитки; разливка сифонным способом дает возможность регулирования в более широких пределах скорости наполнения изложниц и наблюдения за поведением металла в изложницах на протяжении всего периода разливки.   Недостатки сифонного способа разливки металла смещение теплового центра к низу слитка, и, как следствие, ухудшение условий направленого (снизу вверх) затвердевания и, соответственно, повышение вероятности образования осевой рыхлости; необходимость нагрева металла перед разливкой до более высокой температуры из-за охлаждения металла в центровых и сифонных трубках и из-за более низкой, чем при разливке сверху скорости разливки; увеличение расходов на огнеупоры литниковой системы; повышенная загрязненность экзогенными включениями из сифонной проводки; повышенный расход металла на литниковую систему (от 0,7 до 2 % от массы разливаемого металла); повышение трудоемкости при сборке литейной оснастки.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Начертите в масштабе упрощенную диаграмму состояния «железо-цементит» и укажите во всех областях диаграммы структуры, получающиеся при медленном охлаждении железоуглеродистых сплавов. Пользуясь этой диаграммой, поясните в самой краткой форме структурные превращения, происходящие в белом чугуне, содержащем 3,5% углерода, при медленном его нагревании от комнатной температуры до 1250°С. Определите температуры начала и конца вторичной кристаллизации для этого чугуна при его охлаждении.

 

На рис. 1 приведена упрощённая диаграмма состояния системы  железо—цементит. Наибольшее количество углерода по диаграмме 6,67% соответствует  содержанию углерода в химическом соединении — цементите.

Рис. 1. Упрощённая диаграмма состояния  «железо-цементит»

Превращение из жидкого состояния  в твердое (первичная кристаллизация). Линия ACD является линией ликвидуса, а линия AECF — линией солидуса.

Выше линии ACD сплавы системы находятся в жидком состоянии (Ж). По линии АС из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы твердого раствора углерода в g-железе, называемого аустенитом (А), в области АСЕ будет находиться смесь двух фаз — жидкого раствора (Ж) и аустенита (А). По линии CD из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы цементита (Ц); в области диаграммы CFD находится смесь двух фаз — жидкого раствора (Ж) и цементита (Ц). В точке С при содержании 4,3% С и температуре 1130°С происходит одновременно кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь — эвтектика, называемая в этой системе ледебуритом. Ледебурит (эвтектика) присутствует во всех сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67% углерода. Эти сплавы относятся к группе чугуна.

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,0%). Сплавы, лежащие левее этой точки, после полного затвердевания представляют один аустенит. Эти сплавы относятся к группе стали.

Превращения в  твердом состоянии (вторичная кристаллизация). Линии GSE, PSK и GPQ показывают, что в системе сплавов в твердом состоянии происходят изменения структуры. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной модификации в другую, а также в связи с изменением растворимости углерода в железе.

Рис. 2. Диаграмма состояния «железо-углерод»

При нагреве до А_С1 (723°С) ¹ (см. рис. 2, штриховая линия) превращений нет и чугун имеет структуру: ледебурит + перлит + вторичный цементит. При этом эвтектика состоит из цементита и перлита. При А_С1 происходит превращение перлита в аустенит. Это превращение претерпевает как свободный перлит, так и перлит, входящий в эвтектику. Выше А_С1 чугун состоит из аустенита, вторичного цементита и ледебурита. При этом эвтектика состоит из цементита и аустенита.

От А_С1 до 1130°С ² происходит растворение вторичного цементита в аустените и аустенит насыщается углеродом до 2,14%.

При 1130°С плавится ледебурит. Выше 1130°С чугун состоит из аустенита и жидкого сплава. От 1130°С до 1230°С плавится аустенит. Выше 1230°С чугун находится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до 1230°С чугун находится в жидком состоянии. При 1230°С начинается кристаллизация аустенита. От 1230°С до 1130°С происходит кристаллизация аустенита и при 1130°С чугун состоит из аустенита с содержанием 2,14% углерода и жидкого сплава эвтектического состава (4,3% углерода).

При 1130°С происходит эвтектическая кристаллизация и образуется ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием углерода 2,14%. От 1130°С до А_r1 (723°С) из аустенита, как свободного, так и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит и содержание углерода понижается до 0,8%. Следовательно, в этом интервале температур чугун состоит из ледебурита, аустенита и вторичного цементита. При А_r1 (723°С) происходит превращение аустенита в перлит.

Ниже А_r1 чугун состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита.

Процесс выделения вторичных  кристаллов из твёрдой фазы носит  название вторичной кристаллизации.

Температура начала вторичной кристаллизации — 1130°С.

Температура конца вторичной кристаллизации — 723°С.

 

 

 

3. Азотирование стали. Сущность и цель процесса азотирования. Достоинства и недостатки процесса азотирования.

 

Азотирование стали проводят в среде аммиака или в расплаве солей на основе карбамида и цианата при температуре 500…600 °C. В результате азотирования повышается твердость, износостойкость, коррозийная стойкость на воздухе и в воде, усталостная прочность (выносливость). Наибольшее распространение азотирование получило при производстве деталей, работающих в условиях трения и при температурах до 500…600 °С (коленчатые валы, шпиндельные валы, детали аппаратуры двигателей и др.).

Сущность азотирования:

 

Азотируемые детали выдерживаются  в атмосфере диссоциированного аммиака при повышенных температурах. В этих условиях протекает реакция

2NH₃ ^→ 3H₂ + 2N.

Образующийся атомарный  азот диффундирует в металл.

Цели азотирования:

 

Повышение твердости и  износостойкости поверхностного слоя.

Повышение предела выносливости.

Повышение коррозионной стойкости  поверхностного слоя.

Механизм образования  азотированного слоя

 

Структура азотированного слоя характеризуется диаграммой состояния  Fe - N, показанной на рисунке 1.

 

Азотирование :: диаграмма состояния Fe - N

Проникновение азота в  поверхностный слой стальной детали в процессе азотирования вначале  приводит к образованию азотистого феррита (фаза α), который при температуре 591 °С содержит 0,1 % N, а при комнатной температуре - 0,01 %. При дальнейшем растворении азот в феррите не растворяется и образуется нитрид железа состава Fe4N (γ' фаза), представляющий собой твердый раствор внедрения с гранецентрированной кубической решеткой. При достижении азотом предельного насыщения образуется еще один вид нитридов состава Fe2N. Такая фаза получила название ε-фазы. Это тоже твердый раствор внедрения, но имеющий гексагональную кристаллическую решетку.

 

Таким образом, при температурах ниже 591 °С в азотированном слое будут располагаться следующие фазы (от поверхности к сердцевине): ε - γ' - α

 

При температурах выше 591 °С в начале азотирования также будет  образовываться α-фаза, но при дальнейшем повышении концентрации азота появится азотистый аустенит (γ-фаза). При наступлении предельного насыщения аустенита азотом будут появляться нитриды, представляющие собой γ' и ε фазы. Таким образом, при температурах выше 591 °С в азотированном слое будут располагаться следующие фазы (от поверхности к сердцевине): ε - γ' - γ - α.

 

 

Приемущества:

1.     Высокая теплостойкость диффузионного слоя.

2.     Высокая твердость и износостойкость.

3.     Коррозионная стойкость.

4.     Невысокая температура процесса приводит к отсутствию деформации деталей, поэтому не требуется механическая обработка.

Недостатки:

1.     Большая длительность процесса.

2.     Маленькая толщина упрочняемого слоя.

3.     Высокая стоимость процесса.

 

 

 

 

 

 

4. Пользуясь опытной формулой академика А.А. Бочвара вычислите температуры рекристаллизации меди и свинца. Объясните явление наклепа металлов и укажите, в каких случаях это явление не учитывается при обработке давлением чистых металлов.

А. А. Бочвар установил зависимость между температурой рекристаллизации и температурой плавления металлов, которая характеризуется следующей формулой Трекр — 0,4 Тп,  где ТреКр и Тпл — соответственно температуры рекристаллизации и плавления в абсолютных градусах. Формула Бочвара действительна для чистых металлов и больших степеней деформации. Температура рекристаллизации железа — 450° С, меди — 270° С, молибдена — 900° С, а такого металла, как свинец, минус 30° С. В связи с тем что при температуре рекристаллизации процесс образования новых зерен происходит очень медленно, практически холоднодеформированные металлы и сплавы нагревают до более высокой температуры, например железо и низкоуглеродистую сталь до 600—700° С, медь до 450—500° С. Эти температуры и являются температурами рекристаллизационного отжига. В зависимости от степени деформации величина зерна стали после рекристаллизации получается различной. При определенной степени деформации (для стали в пределах 7—15%) после рекристаллизации получаются зерна очень большой величины. Такая степень деформации называется критической степенью деформации. 
Для избежания сильного роста зерна при рекристаллизации деформацию стали заканчивают со степенью обжатия большей критической степени деформации.

Как уже известно, при  обработке давлением изменяется не только форма исходного металла, но и его структура и свойства. При холодной обработке давлением  под действием пластической деформации изменяется форма зерен: они измельчаются и вытягиваются в направлении  наибольшей деформации. Происходит повреждение  плоскостей скольжения и искажение  кристаллической решетки. Указанное  явление получило название наклепа. 
Наклеп увеличивает предел прочности I—1.27) и твердость I—1.29) металла, уменьшает его относительное удлинение и сужение 1—1.28), ударную вязкость I—1.33) ( плотность I—1.18), электро и теплопроводность I—1.20 и 1.22), коррозионную стойкость I— 1.24). С появлением наклепа дальнейшая деформация металла затрудняется, и на определенной стадии он может разрушаться. Для снятия наклепа применяют рекристаллизационный отжиг 1—3.14), Наклепанный металл, имеющий искаженную кристаллическую структуру, полученную при пластической деформации, находится в неустойчивом состоянии. При нагреве до некоторой температуры, называемой температурой рекристаллизации (Трекр), вокруг определенных центров нз осколков деформированных зерен возникают г, растут новые зерна.