Материаловедческий анализ

 

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 

Санкт-Петербургский  государственный университет сервиса  и экономики

Калужский филиал

 

 

 

Курсовая работа

 

 

По дисциплине: «Материаловедение»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Калуга, 2012

Раздел 1. Материаловедческий анализ.

1.1. Система понятий, входящих в понятие “марка материала”......................3с.

1.2. Принципы обозначения стандартных марок легированных сталей по ГОСТ4543 и в иностранных стандартах.............................................................3с.

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

1.4. Понятие термина "КАЧЕСТВО СТАЛИ"....................................................6с.

1.5. Основные характеристики механических свойств стали, по которым оцениваются стали конкретного назначения.....................................................7с.

1.6. Как и для чего нужно управлять количеством и качеством неметаллических включений?.............................................................................8с.

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

……………………………………………………………………………......…..9с.

1.8. Как управлять величиной  зерна?...............................................................10с.

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

1.10.Описание процесса  закалки стали…………..……………………..........11с.

1.11.Управление типом структуры  образующейся при закалке……...........12с.

1.12.Описание понятий “закаливаемость” и “прокаливаемость”.................12с.

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

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

1.15.Описание процесса старения стали………………………………...........15с.

1.16. Требования к автомобильному листу…………………………..............16с.

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

1.18. От чего зависит контактная прочность стали?.......................................17с.

1.19. Уровни прочности канатной стали и технология упрочнени…............19с.

1.20. Виды коррозионных повреждений нержавеющей стали………...........20с.

Список литературы………………………………………………...........……..22с.

 

 

 

 

 

 

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

 

Россия  ГОСТ	Германия DIN	США ASTM	Япония  JIS
15Х	15Cr3	5115	SCr415
40Х	41Cr4	5140	SCr440
30ХМ	25CrMo4	4130	SCM430, SCM2
12ХН3А	14 NiCr10	-	SNC815
20ХГНМ	21 NiCrMo2	8620	SNCM220
08Х13	X7Cr13	410S	SUS410S
20Х13	X20Cr13	420	SUS420J1
12Х17	X8Cr17	430 (51430)	SUS430
12Х18Н9	X12CrNi18 9	302	SUS302
08Х18Н10Т	X10CrNiTi18 9	321	SUS321
10Х13СЮ	X7CrA11 3	405 (51405)	SUS405
20Х25Н20С2	X15CrNiSi 25 20	30314, 314	SCS 18, SUH3 10

    

 

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

Сталь 09Г2С - сталь конструкционная низколегированная, качественная.  Содержание углерода - 0,09% C; марганца - 2% Mn; кремния - 1% Si; остальное железо Fe.

Применение: для сварных конструкций.

 

Сталь 20ХН3А – хромоникелевая, конструкционная легированная, высококачественная. Содержание углерода – 0,20% С; хрома – 1% Cr; никеля – 3% Ni; остальное железо Fe.

Применение: шестерни, валы, втулки, силовые шпильки, болты, муфты, червяки и другие цементуемые детали, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах.

 

Сталь ХВ4Ф - сталь инструментальная легированная. Содержание углерода - 1% C; хрома - 1% Cr; вольфрама 4% W; вонадия – 1% V; остальное железо Fe.

Применение: резцы и фрезы при обработке с небольшой скоростью резания твердых металлов (валки с закаленной поверхностью), гравировальные резцы при очень напряженной работе, прошивные пуансоны и т. д. Не применяется для сварных конструкций.

 

Сталь 35ХМЛ - сталь для литья, легированная, качественная. Содержание углерода – 0,35% С; хрома – 1% Cr; молибдена – 1% Mo; остальное железо Fe.

Применение: шестерни, крестовины, втулки, зубчатые венцы и другие ответственные детали, к которым предъявляются требования высокой прочности и вязкости, работающие под действием повышенных статических и динамических нагрузок и требующие повышенной твердости.

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.