Материал: Выбор конструкционных материалов

Таким образом, на диаграмме железо - углерод критические точки, образующие линию PSK, обозначаются А_с (при нагреве) и Аr₁ (при охлаждении), линия GSK - А_Сз, линия SE - А_ст и А_rт. Знание критических точек значительно облегчает термисту дальнейшее изучение процессов термической обработки сталей.

Рассматривая диаграмму состояний железо - цементит в связи с происходящими превращениями в сплаве, можно видеть, как на ней распределены фазы и в каком структурном сочетании.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

= K + 1 - Ф,

где    С - число степеней свободы системы;

К - число компонентов, образующих систему;

- число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Теперь определим число степеней свободы для каждой из точек:

С₁=2+1-1=2

С₂=2+1-2=1

С₃=3-3=0

С_3`=2+1-2=1

C₄=3-3=0

С_4’=3-2=1

Сплав железа с углеродом, содержащий 2,6% С, называется доэвтектоидным чугуном (рис. 2). Его структура при комнатной температуре перлит+цементит (вторичный) + ледебурит.

Определим процентное содержание углерода в фазах при температуре 1000°С. Структура сплава при этой температуре аустенит + цементит (вторичный). Для определения содержания углерода в фазах нужно провести через данный температурный уровень линию, параллельную оси концентрации до пересечения с линией SE. Тогда проекция точки пересечения этой линии с SE на ось концентрации укажет количество углерода 1,2% С.

Для заданного сплава определим количественное соотношение фаз при температуре 1000°С:

Q=Qа+Qц=100%

Q_а =18%

Q_ц =

3.      Дефект после закалки

термический обработка зуб сталь

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?

Рассмотрим данное задание на примере углеродистых сталей.

Недостаточная твердость закаленной стали может быть вызвана недогревом (низкая температура закалки, слишком короткая выдержка при правильной температуре печи) или при недостаточно интенсивном охлаждении, т.е. со скоростью меньше критической. Однако в задание указано, что закалка выполнена правильно. В результате закалки получен мартенсит (или мартенсит + цементит для заэвтектоидной стали).

Поэтому твердость более низкая, чем предусмотрено техническими условиями, есть результат проведения отпуска при температурах выше необходимых.

Зависимость твердости углеродистых сталей разного состава от температуры отпуска представлена на рисунке 3.

При нагреве при отпуске происходит выделение углерода из мартенсита, приводящее к уменьшению искажений решетки α-железа. Такой мартенсит называют отпущенным. При температурах порядка 300-400°С завершается выделение углерода и образуется высокодисперсная ферритно-цементитная смесь, называемая трооститом отпуска. При дальнейшем нагреве происходит коагуляция кристаллов карбидов и уменьшается дисперсность структуры. Структуру углеродистой стали образующуюся при температурах отпуска 500-650°С, называют сорбитом отпуска. При более высоких температурах нагрева образуется перлит отпуска.

Рисунок 4 - Зависимость твердости углеродистых сталей

С увеличением температуры отпуска общий уровень напряжений уменьшается, что выражается снижением твердости.

4.      Назначьте режим термической обработки

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

Сталь 20 используется для изготовления малонагруженных шестерен высокой твердостью поверхности, где допускается невысокая прочность сердцевины, т. е. шестерни, работающей в условиях обычного износа и удара. Для получения необходимого комплекса эксплуатационных свойств (высокая износостойкость поверхности при достаточно высокой усталостно-изгибочной прочности зуба) сталь 20 подвергают цементации на глубину 0,8-1,2 мм, закалке и последующему низкому отпуску. Назначение цементации и последующей термической обработки - придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость. Эти свойства достигаются обогащением поверхностного слоя стали углеродом доэвтектоидной, эвтектоидной или заэвтектоидной концентрации и последующей термической обработкой, сообщающей поверхностному слою стальных изделий структуру мартенсита или мартенсита с карбидами и небольшим количеством остаточного аустенита.

Принимаем ширину зубчатого венца шестерни равной 25 мм.

Термическая обработка заключается в газовой цементации при температуре 920-950ºС на глубину 0,8-1,2 мм, продолжительность выдержки 8-10 часов. Механизированное термическое оборудование и автоматическая система контроля и регулирования углеродного потенциала в печи цементации позволяет нам на поверхности цементуемого слоя получить эвтектоидное насыщение углеродом. Структура слоя при температуре насыщения - аустенит, после медленного охлаждения в атмосфере агрегата от поверхности к сердцевине - перлит  перлит + феррит. Структура сердцевины при температуре насыщения - аустенит, после медленного охлаждения - феррит + перлит.

Для гарантированного получения мелкоигольчатого мартенсита детали после цементации охлаждают до температуры ниже температуры 600ºС, а затем нагревают под закалку до температуры 800-820ºС. Температуру нагрева под закалку выбирают для цементованного слоя.

Температура A_C3 для данной стали составляет 850ºС. Закалку для стали 20 производят в воде.

Охлаждение в воде заготовок шестерен обеспечивает скорость охлаждения цементованного слоя выше критической. Структура поверхностного слоя после закалки - мартенсит, структура сердцевины - сорбит перлит + феррит. Низкий отпуск проводим при температуре 180-190ºС, выдерживая 2 - 2,5 ч, необходимых для прогрева детали по всему сечению и прохождения процессов снятия внутренних напряжений. Более высокие температуры применять не следует, так как это приводит к снижению твердости, статической и усталостной прочности, износостойкости цементовано-закаленных изделий. Атмосфера в печи при проведении низкого отпуска - воздух. Охлаждение после отпуска на воздухе. Структура поверхностного слоя - отпущенный мартенсит, структура сердцевины - низкоуглеродистый сорбит  перлит + феррит.

Твердость поверхности готового изделия 58-62 HRC.

Механические свойства в сердцевине готового изделия: σ_Т=370 МПа, σ_В=550 МПа, δ>18%, ψ>45%.

5.      Молекулярное строение полимеров

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

Полимерами называются высокомолекулярные вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных звеньев (мономеров) одинаковой структуры, соединённых между собой химическими связями. Условно, полимерами считают вещества с молекулярной массой от 5000 до 1000000, соединения с молекулярной массой от 500 до 5000 называют олигомерами. Таким образом, свойства полимера заключается в его химическом составе, строении, а так же расположением молекул относительно друг друга. Большое своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их макромолекул.

По форме макромолекул полимеры бывают: линейные, разветвленные, плоские ленточные, плоские сетчатые, слоистые и пространственные (рис. ).

Рис. Формы макромолекул полимеров

а - линейная, б - разветвлённая, в - лестничная, г - сетчатая, пространственная, д - паркетная

Гибкие длинные макромолекулы обладают высокой прочностью вдоль цепи и слабыми молекулярными связями, что обеспечивает их эластичность, способность размягчаться при нагреве и затвердевать при охлаждении (полиэтилен, полиамид). Разветвленные молекулы отличаются наличием 151 боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен ...). Плоские ленточные молекулы состоят из двух цепей, соединенных химическими связями. Они обладают повышенной теплостойкостью и большей жесткостью. Пространственные молекулы образуются при соединении молекул между собой прочными химическими связями. Образуется сетчатая структура с различной густотой сетки. Молекулы с редкой сеткой (сетчатые) теряют способность растворяться и плавиться, но обладают упругостью (мягкие резины). Густосетчатые молекулы (пространственные) отличаются твердостью и большой теплостойкостью. Эти полимеры лежат в основе конструкционных неметаллических материалов. Аморфные полимеры строятся из цепных молекул, и собраны в пачки. Пачки являются структурными элементами, и могут перемещаться относительно соседних элементов. Некоторые аморфные полимеры состоят из цепных молекул, свернутых в клубки (глобулы). Такая структура дает низкие механические свойства (хрупкое разрушение по границам глобул.). При повышении температуры, глобулы могут разворачиваться, что повышает механические свойства.

Квази кристаллические полимеры образуются только из достаточно гибких макромолекул с регулярной структурой. В этом случае возможно образование пространственных решеток внутри пачки. Гибкие пачки складываются в ленты, многократно поворачиваются на 180о и образуют пластины. Пластины, наслаиваясь, друг на друга, образуют правильные кристаллы. При затруднении наслоения образуются сферолиты, состоящие из лучей, чередованием кристаллических и аморфных зон. Кристаллические участки состоят из микрофибрилл.

По отношению к нагреву, полимеры разделяются на термопластичные и термостойкие.

Термопластичные полимеры (термопласты) состоят из большого количества повторяющихся макромолекул, соединенных между собой только физическими связями. Энергия разрыва физических связей мала и составляет от 12 до 30 кДж/моль. При нагревании физические связи исчезают, при охлаждении - восстанавливаются. Энергия разрыва химических связей, соединяющих мономерные звенья в цепную макромолекулу, многократно превышает указанные значения и составляет 200-460 кДж/моль. Поэтому при нагревании термопластов до температуры плавления физические связи исчезают, а химические - ковалентные - сохраняются, и, следовательно, сохраняется неизменным химическое строение полимера.

При охлаждении и затвердевании такого расплава физические связи и основные физические свойства термопластичного полимерного вещества восстанавливаются. Таким образом, термопласты, во-первых, допускают формование изделий из расплава с его последующим охлаждением и затвердеванием и, во-вторых, могут перерабатываться многократно. Это, в свою очередь, позволяет возвращать в производственный цикл отходы производства, брак, изделия, утратившие потребительскую ценность.

Термопластичные полимеры имеют макромолекулы линейной и разветвлённой структуры.

Термореактивные полимеры (реактопласты) состоят из макромолекул, соединенных поперечными ковалентными, то есть химическими связями. Образовавшаяся сетчатая химическая структура необратима. Нелимитированное нагревание сетчатых полимеров приводит не к расплавлению, а к разрушению пространственной сетки, сопровождающемуся термодеструкцией. С точки зрения практики это означает, что реактопласты допускают лишь однократную переработку в изделия, которые формуются в результате химической реакции отверждения.

Технологические и иные отходы производства практически не рециклируются. Вместе с тем сетчатая молекулярная структура придает полимерам ряд особых свойств, не наблюдаемых у термопластов. Так, густосетчатые термореактивные полимеры, например, полиэпоксиды, характеризуются повышенными значениями модуля упругости, твердости и теплостойкости; редкосетчатые реактопласты, основными представителями которых являются эластомеры, обладают значительной и обратимой деформативностью, стойкостью к истиранию и повышенным коэффициентом трения.

6.      Выбрать материал для деталей

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).

Выбор наиболее подходящего материала для изготовления химической аппаратуры является одной из первых и ответственных задач, возникающих в процессе конструирования. При выборе материала должны учитываться следующие его важные свойства:

прочностные характеристики;

теплостойкость, жаропрочность;

химическая стойкость против разъедания;