Контрольная работа по "Материаловедение и технология материалов"

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

Жодинский государственный политехнический колледж

 

 

Заочное отделение

Специальность:2-36.01.01 «Технология машиностроения»

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

 

По дисциплине: Материаловедение и технология материалов

 

 

Вариант 1

 

 

 

Группа 15-ТМзк

 

Шифр учащегося 13/01

 

 

 

Работу выполнил:      Авраменко О.С.

 

Преподаватель:       Семенова О.П.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Жодино 2013

Содержание:

 

Введение …………………………………………………………………….. Производство чугуна……………………………………………………. Термическая обработка металлов. Отжиг второго рода……………… Построение кривых охлаждения и нагревания стали и чугунов. Структурные превращения стали и чугуна при С = 0,4%........................ Заключение…………………………………………………………………… Список используемых источников………………………………………… Лист для рецензии преподавателя…………………………………………..

3 4 6   9 16 17 18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Материаловедение – обширная область знаний, наука, которая, базируясь на основных положениях физики твёрдого тела, физической химии и электрохимии, исследует и направленно использует взаимосвязь структуры и свойств для улучшения свойств применяемых материалов или для создания новых материалов с заданными свойствами. Главное в материаловедении – это научно обоснованное предсказание поведения применяемых в технике материалов.

Материаловедение - научная дисциплина о структуре, свойствах и назначении материалов. Свойства технических материалов формируются в процессе их изготовления. При одинаковом химическом составе, но разной технологии изготовления, образуется разная структура, и вследствие - свойства.

Целью материаловедения является изучение закономерностей формирования структуры и свойств материалов методами их упрочнения для эффективного использования в технике.

Основная задача материаловедения - установить зависимость между составом, строением и свойствами, изучить термическую, химико-термическую обработку и другие способы упрочнения, сформировать знания о свойствах основных разновидностей материалов.

Началом развития материаловедения можно считать тот момент, когда человек впервые начал выбирать, что ему взять в руку - палку или камень, то есть зарождение материаловедения совпадает с началом каменного века. Следовательно материаловедение - это одна из старейших форм прикладной науки, прошедшая вместе с человечеством долгий путь от примитивной обработки камня и изготовления простейшей керамики и заканчивая современными сверхпопулярными нанотехнологиями. Долгое время металлургия и металловедение превалировали в материаловедении, то есть наука о материалах приравнивалась фактически к науке о металлах. Современное материаловедение также базируется на металловедении, однако помимо металлов и сплавов материаловедение изучает множество других разнообразных материалов как по назначению (пластики, полупроводники, биоматериалы), так и по составу (углеродные материалы, керамика, полимеры и т.д.).

Материаловедение в машиностроении изучает разделы: металловедение и термическая обработка металлов, а также неметаллические материалы.

Спектр существующих материалов чрезвычайно широк и выбор оптимального материала для тех или иных условий применения может быть достаточно сложной задачей. К машиностроительным материалам прежде всего относятся сплавы на основе железа (сталь и чугун), а также цветные металлы и сплавы. К металлическим материалам относятся и материалы порошковой металлургии. Неметаллические материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы. Композиционные материалы - сложные или составные материалы, состоящие из двух разнородных материалов (например: стекла и пластмассы - стеклопластики) принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу изготовления.

 

 

 

 

1. Производство чугуна

 

Чугун – железоуглеродистый сплав, содержащий более 2% углерода. Кроме углерода, в нем всегда присутствуют кремний (до 4%), марганец (до 2%), а также фосфор и сера. Чугун является основным исходным материалом для получения стали, на что расходуется примерно 80-85% всего чугуна.

Железные руды – основной исходный материал для выплавки чугуна. По типу рудного минерала руды бывают следующих основных видов.

Красный железняк. Рудный минерал – гематит, безводная окись железа Fe2O3 (70% Fe). Руда обычно содержит 50-60% Fe. Это наиболее распространенный вид руды во всем мире.

Магнитный железняк. Рудный минерал – магнетит, магнитная окись железа Fe3O4 (72,4% Fe), в руде 55-60% Fe.

Бурый железняк. Рудный минерал – водные окислы железа nFe2O3 · mH2O (52-66% Fe). В руде обычно содержится 30-50% Fe.

Шпатовый железняк. Рудный минерал – сидерит, карбонат железа FeCO3 (48,3% Fe), в руде обычно 30-40% Fe.

Доменные флюсы необходимы для удаления из доменной печи тугоплавкой пустой породы руды и золы топлива. Сплавляясь с флюсом, они образуют легкоплавкий сплав – доменный шлак; в расплавленном состоянии он удаляется из печи через шлаковую летку. Кроме того, флюс должен обеспечить получение шлака с необходимым химическим составом и физическими свойствами, что в значительной мере определяет состав чугуна. Флюсы выбирают в зависимости от пустой породы руды. В отечественных железных рудах пустая порода, как правило, содержит избыток SiO2. Поэтому в качестве флюса используют сильноосновные материалы, главным образом известняк CaCO3.

Рисунок 1 - Устройство доменной печи.

 

Доменная печь – вертикальная печь шахтного типа. Ее высота (до 35 м) примерно в 2,5-3 раза больше диаметра.

Стенки печи выкладывают из огнеупорных материалов – в основном из шамота. Нижнюю часть горна и его основание (лещадь) выполняют из особо огнеупорных материалов – углеродистых (графитизированных) блоков. Для повышения стойкости огнеупорной кладки в ней устанавливают (примерно на 3/4 высоты печи) металлические холодильники, по которым циркулирует вода. Для уменьшения расхода воды (для крупных печей до 70000 м3 в сутки) применяют испарительное охлаждение, основанное на том, что поглощаемое тепло используется для парообразования.

Кладка печи снаружи заключена в стальной кожух толщиной до 40 мм. Для уменьшения нагрузки на нижнюю часть печи ее верхнюю часть (шахту) сооружают на стальном кольце, опирающемся на колонны.

2. Термическая обработка металлов. Отжиг второго рода.

 

Свойства сплава зависят от его структуры. Основным способом, позволяющим изменять структуру, а, следовательно, и свойства является термическая обработка.

Основы термической обработки разработал Чернов Д.К.. В дальнейшем они развивались в работах Бочвара А.А., Курдюмова Г.В., Гуляева А.П.

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в определенной последовательности при определенных режимах, с целью изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств (представляется в виде графика в осях температура – время, см. рис. 12.1).

Рисунок 1 - Графики различных видов термообработки: отжига (1, 1а), закалки (2, 2а), отпуска (3), нормализации (4)

Различают следующие виды термической обработки:

1. Отжиг 1 рода – возможен для любых металлов и сплавов.

Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии.

Нагрев, при отжиге первого рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутреннее напряжения.

Основное значение имеет температура нагрева и время выдержки. Характерным является медленное охлаждение

Разновидностями отжига первого рода являются:

• диффузионный;
• рекристаллизационный;
• отжиг для снятия напряжения после ковки, сварки, литья.

2. Отжиг II рода– отжиг металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении.

Проводится для сплавов, в которых имеются полиморфные или эвтектоидные превращения, а также переменная растворимость компонентов в твердом состоянии.

Проводят отжиг второго рода с целью получения более равновесной структуры и подготовки ее к дальнейшей обработке. В результате отжига измельчается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость, улучшается обрабатываемость резанием.

Характеризуется нагревом до температур выше критических и очень медленным охлаждением, как правило, вместе с печью (рис. 12.1 (1, 1а)).

При отжиге 2-го рода в металле или сплаве происходят качественные или количественные изменения фазового состава при нагревании и обратные изменения при охлаждении.

Принципиальную возможность применения к сплаву отжига 2-го рода можно установить по диаграмме состояния.

В твердом состоянии протекают разнообразные фазовые превращения: полиморфное, эвтектоидное, перитектоидное, растворение одной фазы в другой при нагревании и обратное выделение при охлаждении и др.

 Отжиг 2-го рода можно проводить  с полным изменением фазового  состава, когда фазы, существовавшие  при комнатной температуре, исчезают  при нагревании, а фазы, стабильные  при повышенной температуре, исчезают  при охлаждении.

 Для этого металл или сплав  следует нагреть выше критической  точки, например сплавы Х1 нагревают  до температуры t1 выше точки t0. Если  сплавы Х1 на рисунке, а — в  нагреть до температуры t2, которая  ниже, чем t0, то фазовый состав  неполностью изменится — при  температуре отжига частично  сохраняется низкотемпературная  фаза α.(рис.2)

Рисунок 2 - Системы с различными фазовыми превращениями в твердом состоянии.

Если изменение фазового состава связано только с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии (сплав Х2), то при термообработке вообще невозможна полная фазовая перекристаллизация, так как основная фаза а, в которой растворяется избыточная фаза β, стабильна и при низких, и при высоких температурах.

В сплавах этого типа при нагревании и охлаждении изменяется только количественное соотношение фаз (включая полное исчезновение одной из них при нагревании выше 0). Неполное изменение фазового состава при отжиге происходит и в сплаве Х3, так как в нем высокотемпературная фаза стабильна при комнатной температуре.

Отжиг 2-го рода принципиально применим к любым металлам и сплавам, в которых в зависимости от температуры в твердом состоянии качественно или количественно изменяется фазовый состав. Практическая целесообразность отжига 2-го рода определяется тем, насколько сильно структурные изменения влияют на свойства металла или сплава.

3. Закалка – проводится для сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, с целью повышение твердости и прочности путем образования неравновесных структур (сорбит, троостит, мартенсит).

Характеризуется нагревом до температур выше критических и высокими скоростями охлаждения (рис. 12.1 (2, 2а)).

4. Отпуск– проводится с целью снятия внутренних напряжений, снижения твердости и увеличения пластичности и вязкости закаленных сталей.

Характеризуется нагревом до температуры ниже критической А (рис. 12.1 (3)). Скорость охлаждения роли не играет. Происходят превращения, уменьшающие степень неравновесности структуры закаленной стали.

Термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную.

Предварительная – применяется для подготовки структуры и свойств материала для последующих технологических операций (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием).

Окончательная – формирует свойство готового изделия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Построение кривых охлаждения и нагревания стали и чугунов. Структурные превращения стали и чугуна при С = 0,4%.

 

                  При охлаждении стали, содержащей 0,4 %  С, в ней происходят следующие превращения.

       До 1500о  сталь охлаждается быстро, так как кристаллизация в ней не происходит. Кривая охлаждения круто опускается вниз.

       При 1500о  по линии ликвидуса в точке  1  из жидкого раствора кристализуется аустенит, так как в жидком растворе лишним по отношению к эвтектике является железо. Процесс первичной кристаллизации продолжается до 1390о . При этом скорость охлождения снижается потому, что выделяется теплота,связанная с кристаллизацией. Кривая охлаждения становится более пологой.

       В точке 2 на линии солидуса при температуре 1390о сталь полностью кристаллизуется и состоит из одного аустенита.