Материал: Выбор конструкционных материалов

Выбор конструкционных материалов

МИнОБРнауки России

ФГБОУ ВО Пензенский государственный технологический Университет (пензгту)

Факультет биомедицинских и пищевых технологий и систем

Кафедра «Биотехнологии и техносферная безопасность»

Дисциплина: «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Выбор конструкционных материалов»

ПензГТУ 3. 20.03.01. 009 ПЗ

Выполнил: студент группы 14ЗТ1бп

Кондрашова А. О.

Проверил: доцент кафедры БТБ

Красная Е.Г.

Пенза 2016 г.

Утверждаю зав. каф. БТБ

Таранцева К. Р.

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Студенту(ке) Кондрашовой Анастасии Олеговне Группа 14ЗТ1б

Тема работы: «Выбор конструкционных материалов»

Вариант 9

. Что такое твердый раствор замещения? Приведите пример.

. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,6 % С. Для заданного сплава определите процентное содержание углерода в фазах при температуре 1000 °С.

. Изделия после правильно выполненной закалки и последующего отпуска имеют твердость более низкую, чем предусмотрено техническими условиями. Чем вызван этот дефект и как можно его исправить?

. Назначьте режим термической обработки шестерен из стали 20Х с твердостью зуба HRC58-62. Опишите микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины зуба после термической обработки.

. Опишите современное представление о молекулярном строении полимеров. Укажите структуру термопластических и термореактивных полимеров.

. Выбрать материал для деталей химического аппаратостроения, работающих в особо агрессивных средах, в частности в концентрированных азотной, соляной и ортофосфорной кислотах при высоких температурах. Указать механические и технологические свойства выбранного материала.

Сравнить его сопротивление коррозионному воздействию агрессивных сред с нержавеющей сталью и сплавами типа хастеллой (сплав на основе никеля).

Руководитель Красная Е.Г._______________

Задание получил «31» марта 2016 г.

Студент Кондрашова А.О. _______________

СОДЕРЖАНИЕ

1.      Твердый раствор замещения

.        Вычертите диаграмму состояния сплавов

.        Дефект после закалки

.        Назначьте режим термической обработки

.        Молекулярное строение полимеров

.        Выбрать материал для деталей

Библиографический список

Приложение

1. Что такое твердый раствор замещения? Пример

Твердый раствор - фаза, в которой один из компонентов сплава (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой или другие компоненты располагаются в решетке растворителя, изменяя ее периоды. Различают твердый раствор замещения и твердый раствор внедрения.

При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке. Например, твердые растворы замещения могут образовываться при совместной кристаллизации из расплавов KCl и KBr, Au и Ag или из паров Au и Pt, Si и Ge, K2SO4 и K2Se4.

Рис.1 Твердый раствор замещения

Образование твердого раствора замещения происходит в том случае, если атомные радиусы растворителя и растворенного элемента отличаются не более чем на 15% (размерный фактор). Растворимость компонентов в твердом состоянии уменьшается при увеличении различия в атомных радиусах сплавленных элементов и их валентности.

При соблюдении размерного фактора и одинаковом типе кристаллической решетки образуются твердые растворы с неограниченной растворимостью компонентов, а так же с ограниченной. В твердых растворах замещения атомы растворенного элемента замещают атомы растворителя в узлах кристаллической решетки, распределяясь, чаще всего, хаотически. При этом растворителем может быть химический элемент (металл), а также химическое соединение. В твердых растворах между химическими соединениями ионы одного сорта замещаются ионами другого сорта в соответствии со схемой, например, в системе NaCl - KCl ионы калия замещают ионы натрия. В твердых растворах с ограниченной растворимостью концентрация растворенного компонента возможна до определенных пределов.

В твердых растворах с неограниченной растворимостью возможна любая концентрация растворенного компонента (от 0 до 100%). Твердые растворы с неограниченной растворимостью образуются при соблюдении следующих условий: 1) у компонентов должны быть однотипные кристаллические решетки; 2) различие в атомных радиусах компонентов не должно превышать для сплавов на основе железа 9%, а для сплавов на основе меди 15%; 3) компоненты должны обладать близостью физико-химических свойств. Однако соблюдение этих свойств не всегда приводит к образованию твердых растворов замещения с неограниченной растворимостью. На практике, как правило, образуются твердые растворы с ограниченной растворимостью.

2.      Вычертите диаграмму состояния сплавов

Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,6 % С. Для заданного сплава определите процентное содержание углерода в фазах при температуре 1000 °С.

Диаграмма состояния графически показывает нам фазовое состояние сплава в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Компонентами системы являются железо и углерод.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (рис.2) охватывает не все сплавы железа с углеродом, а лишь те, которые содержат до 6,67 % углерода.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие более 5 % углерода, не представляют практического интереса, 6,67 % углерода взято на том основании, что при таком его количестве образуется химическое соединение Fe3C (цементит), которое может рассматриваться как самостоятельный компонент сплава. Диаграмма состояния сплавов Fe-Fe3C разделена на две части: диаграмму углеродистых сталей и диаграмму белых чугунов. Углеродистые стали - это сплавы железа, содержащие до 2,14 % углерода.

Рис.2 Диаграмма состояния сплавов Fe-Fe3C

Диаграмму создавали в течение многих лет ученые различных стран. Особенно большой вклад в построение диаграммы внес русский металлург

Д. К. Чернов, которому принадлежит приоритет открытия превращений в сталях и критических точек.

По горизонтальной оси диаграммы откладывается содержание углерода в сплаве в процентах, по вертикальной - температура в °С. Каждая точка на диаграмме характеризует определенный состав сплава при определенной температуре. Превращения в сплавах железо - углерод происходят не только при затвердевании сплава в жидком состоянии, но и в твердом благодаря переходу железа из одной аллотропической формы в другую.

В зависимости от температуры и содержания углерода сплавы железо - углерод могут иметь структурные составляющие: феррит, цементит, перлит, аустенит, ледебурит и графит. Физико-химическая природа этих структурных составляющих различна.

Феррит представляет собой твердый раствор внедрения углерода в железо с объемно-центрированной кристаллической решёткой (ОЦК). При 723° С в α-железе может содержаться до 0,02% углерода, а при 20° С всего лишь 0,006% углерода. Феррит пластичен, обладает низкой твердостью (НВ 80-100), прочностью (σ_ь = 25 кгс/мм²) и магнитными свойствами, которые сохраняются до температуры 768° С.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом, т. е. карбид железа Fe₃C, содержащий в своем составе 6,67% углерода и до 210°С сохраняет магнитные свойства. Цементит очень хрупкий и обладает твердостью НВ760-800. В структуре стали и чугуна он находится в виде игл, отдельных включений и сетки, по границам зерен.

Перлитом называют механическую смесь феррита с цементитом. Перлит - это продукт распада аустенита при медленном охлаждении. Он может быть пластинчатым или зернистым. В нем содержится 0,8% углерода. Механические свойства перлита зависят от степени измельчения частичек цементита.

Ледебурит представляет собой эвтектику, состоящую из цементита и аустенита и образующуюся при кристаллизации жидкого сплава, который содержит 4,3% углерода. Ледебурит обладает высокой твердостью (НВдо 700) и хрупкостью.

Чистое железо плавится и затвердевает при 1539°С (точка А), а чугун, содержащий 4,3% углерода, - при 1130°С (точка С).

Графит - это кристаллическая разновидность углерода. Он имеет гексагональную неплотно упакованную кристаллическую решётку. Имеет черный цвет и встречается в структуре чугуна и графитизированной стали. Твёрдость и прочность графита очень малы.

Когда температура сплава соответствует линии АС, начинается процесс первичной кристаллизации: из жидкого сплава выделяются кристаллы аустенита, а на линии CD - цементит. Так как цементит выделяется из жидкого сплава в процессе первичной кристаллизации, то его называют первичным. Линия АЕСF является линией солидуса. В точке С сплав, содержащий 4,3% углерода, переходит в твердое кристаллическое состояние. Сплав такого состава называют эвтектическими. Структура эвтектического сплава представляет собой ледебурит. Таким образом, чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим, менее 4,3% углерода - дозвтектическим и более 4,3% углерода - заэвтектическим.

В зоне III диаграммы сплав состоит из цементита и жидкого сплава, а в зоне II - из кристаллов аустенита и жидкого сплава. Содержание углерода в кристаллах аустенита определяется линией AIE

При температурах, соответствующих линии АВ, из жидкого сплава выделяется твердый раствор δ. На горизонтали HIB при 1486°С происходит перитектическое превращение. Оставшийся жидкий сплав взаимодействует с твердым раствором δ и в точке / переходит в аустенит, левее точки / - в структуру аустенит - твердый раствор δ, правее точки / - в аустенит и жидкий сплав. Затвердевание сплавов, содержащих до 2% углерода, заканчивается на линии AHIE. Ниже линии HIE, в зоне IV,сплавы представляют собой аустенит.

В нижней части диаграммы превращения происходят в твердом состоянии. Линия GS (линия А₃) представляет собой температуры начала выделения феррита из аустенита. Она показывает, что температура образования феррита понижается с 910°С (точка G) для чистого железа до 723° С (точка S) для сплава, содержащего 0,8% углерода. Феррит, который выделяется из аустенита при охлаждении, содержит не более 0,02% углерода. При понижении температуры до 723°С (линия PS) в зоне VIII сплав состоит из феррита и аустенита. В точке S аустенит переходит в перлит. В результате превращений сплавы, содержащие менее 0,8% углерода, имеют структуру феррита и перлита (зона IX). При 0,8% углерода в структуре остается только перлит, называемый эвтектоидом. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной, менее 0,8 углерода - доэвтектоидной, более 0,8 % углерода - заэвтектоидной.

В зоне V находятся в равновесии две структурные составляющие - цементит и аустенит. Линия SE определяет предел растворимости углерода в аустените. При 1130°С (точка Е) в аустените растворяется 2% углерода. В зоне X структура сплава состоит из перлита и вторичного цементита.

Описанные изменения структуры сплавов при охлаждении обратимы.

Температуры, при которых начинается или заканчивается процесс фазовых превращений в металле или сплаве, называют критическими точками.

При медленном нагреве от комнатной температуры до 723°С (точка а) в сплаве / фазовых изменений не происходит. При температуре 723°С перлит превращается в аустенит. Такую температуру называют нижней критической точкой и обозначают A_C1 . Буква С указывает на то, что температура остановки получается при нагреве стали, а единица подтверждает образование критической точки на линии PSK. Охлаждение стали отмечают буквой r (А_r1 ). При дальнейшем нагреве в сплаве / зерна феррита растворяются в аустените. Растворение заканчивается в точке а₁, лежащей на линии GS .Температуру окончания растворения феррита в аустените называют верхней критической точкой и обозначают при нагреве сплава-А_С3, при охлаждении - А_Г3.

Если нагревать эвтектоидный сплав II,. то перлит в точке S (линия PSK)при 723°С превращается в аустенит. Критические точки A_C1 и А_с3, при этом совместятся.

При нагреве сплава III в точке b при 723°С перлит превращается в аустенит (точка A_C1). Дальнейший нагрев вызывает растворение цементита в аустените и в точке b₁ лежащей на линии SE, процесс заканчивается. Эту точку называют критической и обозначают А_ст.