Контрольная работа по «Материаловедению»

 

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Московский государственный  университет путей сообщения

Нижегородский филиал

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 3 курса

Шифр: 1060-n/T-4022

Титов В.

Проверил: доцент

Храмов  С.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2013 г.

 

Вопрос № 9

 

По диаграмме состояний  железо-цементит опишите, какие структурные  и фазовые превращения будут  происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с заданным содержанием углерода (С = 3,2 %) Охарактеризуйте этот сплав и определите для него при заданной температуре (t⁰ = 950⁰C) количество, состав фаз и процентное соотношение. Постройте кривую охлаждения сплава.

 

В сплавах системы Fe-Fe₃C встречаются следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы на основе различных кристаллических модификаций железа, химическое соединение Fe₃C (цементит).

На рис.1 представлена диаграмма  состояния железо-цементит в фазовом  виде.

 

 
Рис.1. Фазовая диаграмма состояния  железо-цементит

 

Все линии диаграммы можно  разделить на следующие группы: линии ликвидус – начало затвердения при охлаждении или конец плавления при нагревании; линии солидус – конец затвердевания при охлаждении и начало плавления при нагревании; линии превращения в твердом состоянии. Из них особо выделяются горизонтальные линии (параллельные оси составов), отвечающих нонвариантному равновесию.

По таблице 1 можно проследить медленное остывание сплава от жидкого  состояния.

Таблица 1

Характеристики линий  диаграммы

 

Индекс  линий	Температурный  интервал, °С			Интервал концентраций (% углерода)		Основная характеристика линии
Линия ликвидуса
АС	1539° – 1147°			0 – 4,3		Линия ликвидус (начало затвердевания аустенита).
СD	1147° ~ 1600°			4,3 – 6,67		Линия ликвидус (начало затвердевания первичного цементита)
Линия солидуса
АЕ	1539° – 1147°			0 – 2,14		Конец затвердевания аустенита
ЕСF	1147°			2,14 – 6,67		Линия эвтектического равновесия
Линии превращения  в твердом состоянии
SE		727° – 1147°	0,8 – 2,14		Линия ограниченной растворимости углерода в аустените. Начало выделения вторичного цементита.
GS		911° – 727°	0 – 0,8		Начало аллотропического превращения аустенита в феррит
GP		911° – 727°	0 – 0,025		Конец аллотропического превращения (аустенита в феррит)
PSK		727°	0 ,025 – 6,67		Линия эвтектоидного равновесия аустенита, феррита, цементита
PQ		727° – комн.	0,025 – 0,006		Линия выделения третичного цементита

 

Характеристики точек  диаграммы

 

Индекс точки	Содержание углерода, %	Температура, °С	Характеристика
А	0	1539	Точка затвердевания жидкого  железа
С	4,3	1147	Состав жидкой фазы при  эвтектическом равновесии с аустенитом и цементитом
Е	2,14	1147	Предельное содержание углерода в аустените. Состав аустенита при эвтектическом равновесии с жидкой фазой и цементитом
S	0,8	727	Состав аустенита при  эвтектоидном равновесии с ферритом и цементитом
Р	0,025	727	Предельное содержание углерода в феррите. Состав феррита при  эвтектоидном равновесии с аустенитом и цементитом
Q	0,006	Комнатная	Предельное содержание углерода в феррите при комнатной температуре

По данным приведенным  выше можно проследить за превращениями, происходящими со сплавом с содержанием углерода 3,2% при медленном охлаждении.

ABCD -	Ж	t = 11400C	Ж+А
AECF -	Ж+А	t = 11470C	А+Ц+Л
PSK -	А+Ц+Л	t = 7270C	П+Ц+Л

Сплавы с большим содержанием  углерода в нашем случае 3,2%  (2,14 до 6,67 %) называются чугунами. Границей между сталями и чугунами принято считать проекцию точки Е, т.е. точки максимального насыщения аустенита углеродом, от которой начинается линия эвтектического равновесия. В результате первичной кристаллизации стали образуется аустенит (линия АЕ).

Все превращения в белых  чугунах, начиная от затвердевания  и до комнатных температур, полностью проходят по метастабильной диаграмме Fe-Fe₃C. Наличие цементита придает излому светлый блестящий цвет, что привело к термину “белый чугун”. Независимо от состава сплава обязательной структурной составляющей белого чугуна является цементитная эвтектика (ледебурит).

В структуре доэвтектических белых чугунов присутствует цементит вторичный, который образуется в результате изменения состава аустенита при охлаждении (по линии ES). В структуре цементит вторичный сливается с цементитом, входящим в состав ледебурита.

На рис. 2  изображена структурная  диаграмма равновесия железо-цементит и кривые охлаждения сплава.

 
Рис.2. Диаграмма состояния “железо-цементит” (структурная) и кристаллизация белых  чугунов 
а) – диаграмма, б) – кривая охлаждения сплава со схемой микроструктуры при нормальной температуре.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос № 39

 

Расшифруйте заданную марку  сплава – 40Х15Н7Г7Ф2МС, объясните влияние элементов, входящих в сплав. Постройте график термической обработки детали – КОРПУС ТУРБИНЫ, для получения заданных механических свойств - .

Сталь	Содержание элементов, %						s100 , МПа при температуре, 0С			Рабочая температура 0С; назначение
	C	Cr	Ni	Si	Mn	Другие элементы	600	700	800
Сплавы с карбидным  упрочнением
40Х15Н7Г7Ф2МС	0,38-0,47	14-16	6-8	0,9-1,4	6,0-8,0	1,5-1,9 V 0,65-0,85 Mo	420	240	125	650; корпуса газовых турбин, лопатки,  крепежные детали

Характеристика материала

Характеристика материала

Сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС

Марка	40Х15Н7Г7Ф2МС
Старое  обозначение	4Х15Н7Г7Ф2МС    ЭИ388
Классификация	Сталь жаропрочная высоколегированная
Применение	лопатки газовых турбин, крепежные  детали, работающие при температуре 650 град.С ограниченное время; сталь аустенитного класса

 

Химический состав в % материала 40Х15Н7Г7Ф2МС

 

 

Углерод оказывает влияние на механические свойства отливок. Большинство сталей имеет содержание углерода не более 0,5%.

Углерод благоприятно влияет на жидкотекучесть стали. Повышение содержания углерода снижает образование трещин, газовых раковин и неметаллических включений, уменьшает пригар, снижает образование литейных напряжений и зональной ликвации.

Марганец при определенном соотношении ликвидирует вредное действие серы, увеличивает усадку, что может повлечь за собой образование горячих усадочных трещин, увеличивает жидкотекучесть и износостойкость.

Кремний при содержании более 0,5% легирует сталь, уменьшает теплопроводность, что приводит к увеличению объема усадочных раковин, термических повреждений, трещин, газовых раковин и неметаллических включений. В низкоуглеродистых сталях кремний повышает пластичность и вязкость, а высокоуглеродистая кремнистая сталь имеет повышенные прочностные свойства и пониженную пластичность. Отливки из этих сталей хорошо сопротивляются пластическим деформациям и износу; их применяют для бегунов кранов, деталей, работающих в абразивных средах и в условиях коррозионного действия кислот (за исключением соляной и фтористоводородной).

Фосфор снижает пластичность, вызывает хладноломкость, способствует ликвации в отливках с толщиной стенок более 100 мм.

Сера — вредная примесь, которая вызывает красноломкость, горячие трещины и значительно ухудшает другие свойства отливок. Однако небольшое количество серы (до 0,3%) улучшает обрабатываемость резанием, например, автоматной стали марок А12, А20 и т. д.

Никель легирует металл, увеличивает его прокатываемость, повышает предел текучести и предел прочности (второй больше первого), уменьшает чувствительность к перегреву, повышает коррозионную стойкость, влияет на магнитные свойства (что зависит от процентного содержания), ухудшает литейные свойства, ускоряет затвердевание отливок, уменьшает теплопроводность, что ведет к образованию больших усадочных раковин и увеличению термических напряжений.

Хром легирует сталь, увеличивает прокаливаемость, способствует получению равномерной твердости по всему сечению, повышает сопротивление пластическим деформациям и понижает пластичность, повышает износостойкость, делает сталь коррозионно-стойкой, а при большом содержании — жаропрочной. Главным недостатком хромистой стали при использовании ее для отливок является высокая вязкость, склонность к крупнокристальному строению, перегреву, что ведет к появлению усадочных раковин и трещин.

Молибден повышает отношение предела текучести к пределу прочности при растяжении, повышает прокаливаемость, понижает отпускную хрупкость и повышает сопротивление ползучести, несколько понижает жаропрочность. Ванадий способствует образованию мелкозернистой структуры, повышает прочность и вязкость, а при температуре ниже 0° С — ударную вязкость. Вольфрам повышает свойства инструментов, но дает усадочные раковины.

Ванадий, введенный в сталь, активно реагирует с кислородом и азотом, продукты этих реакций всплывают на поверхность металла жидким шлаком, который удаляется в процессе плавки. Тем самым повышается прочность отливок, оставшийся ванадий раньше других элементов взаимодействует с растворенным в стали углеродом, образуя твердые и жаростойкие соединения – карбиды. Карбиды ванадия плохо растворяются в железе и неравномерно распределяются в нем, препятствуя образованию крупных кристаллов. Сталь получается мелкозернистой, твердой и ковкой. Структура ванадиевой стали сохраняется и при высоких температурах. Поэтому резцы из нее меньше подвержены деформациям в процессе обработки детали на больших скоростях, а штампы незаменимы для горячей штамповки. Мелкокристаллическая структура обусловливает также высокую ударную вязкость и большую усталостную прочность ванадиевой стали. Практически важно еще одно ее качество – устойчивость к истиранию. Это качество можно наглядно проиллюстрировать таким примером: за тысячу часов работы

 

Механические свойства при Т=20^oС материала 40Х15Н7Г7Ф2МС

 

sв МПа	sT МПа	d5 %	y %	KCU кДж/м2	Термообработка
880	590	15	15	290	Закалка 1170 - 1190oC, вода, Старение 780 - 820oC, 8 - 10ч, воздух,

 

Обозначения:

Механические свойства:
sв	- Предел кратковременной прочности, [МПа]
sT	- Предел пропорциональности (предел  текучести для остаточной деформации), [МПа]
d5	- Относительное удлинение при  разрыве , [ % ]
y	- Относительное сужение, [ % ]
KCU	- Ударная вязкость, [ кДж / м2]
HB	- Твердость по Бринеллю, [МПа]

 

 

 

 

 

Рис. 1 График термической  обработки детали

 

 

 

Стали с интерметаллидным упрочнением более жаропрочны, чем стали с карбидным упрочнением. Для достижения высокой жаропрочности аустенитные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением подвергают термической обработке, состоящих из двух последовательных операций, приведенных ниже:   1. Закалка от 1050-12000С в воде в масле или в воздухе. Такую закалку проводят для растворения карбидных и интерметаллидных фаз в твердом растворе (аустените) и получения после охлаждения высоколегированного твердого раствора.   2.Старение при 60-850С. Оно предназначено для выделения дисперсных фаз из твердого раствора, упрочняющих сталь, Температура старения не должна вызывать заметной коагуляции избыточных фаз

Таблица 36

Химический состав (по легирующим элементам) и пределы длительной прочности некоторых жаропрочных сталей