Материаловедение
Контрольная
работа №1
Материаловедение
Студента 1 курса з/о КГЭК
Группы АТ-13/11-з
Опишите метод магнитной дефектоскопии. Укажите
его достоинства, недостатки и область применения
Дефектоскоп (лат. defectus «недостаток» +
др.-греч. σκοπέω
«наблюдаю») - устройство для обнаружения дефектов в изделиях из различных
металлических и неметаллических материалов методами неразрушающего контроля. К
дефектам относятся нарушения сплошности или однородности структуры, зоны
коррозионного поражения, отклонения хим. состава и размеров, и др. Область
техники и технологии, занимающаяся разработкой и использованием дефектоскопов
называется дефектоскопия.
Основы метода магнитной дефектоскопии. В
намагниченном изделии магнитный поток, встречая препятствия с малой магнитной
проницаемостью (трещины, неметаллические включения), рассеивается, и если
упомянутые препятствия (дефекты) расположены неглубоко, то на поверхности
изделия в месте выхода силовых линий создается магнитная поляризация, которая
может быть обнаружена специальными магнитными индикаторами (например, частицы
ферромагнитных веществ и, в частности, окислы железа). Наиболее интенсивное
рассеивание силовых линий происходит при направлении магнитного потока
перпендикулярно направлению дефекта, что необходимо учитывать при
намагничивании изделия. В зависимости от магнитных свойств материала
контролируемого изделия применяются два метода контроля.
. Контроль на остаточной намагниченности
заключается в том, что подлежащие контролю деталь предварительно намагничивают
и уже после прекращения действия намагничивающего поля поливают магнитной
суспензией, т. е. взвесью ферромагнитных частиц в жидкости. Этот метод
применяется для контроля деталей из большинства конструкционных и
инструментальных сталей после закалки или закалки и отпуска.
. Контроль в приложенном магнитном поле
заключается в том, что поливка магнитной суспензией производится во время
намагничивания. Этот метод применяется для контроля деталей из материалов,
имеющих коэрцитивную силу менее 10 (малоуглеродистые стали, конструкционные
стали после отжига), а также в рядя случаев для контроля деталей сложной формы
и значительных сечений.
Магнитная дефектоскопия получила наибольшее
распространение, при контроле качества деталей подвижного состава. Этот метод
требует применения сложной аппаратуры, больших затрат времени и обеспечивает
достаточно высокую точность результатов. Магнитная дефектоскопия применяется
преимущественно для обнаружения поверхностных трещин, не исключено также
выявление и внутренних дефектов.
Начертите диаграмму железо-углерод, укажите
структуры во всех областях и опишите превращения, которые происходят в стали,
содержащем 0,6% углерода при медленном охлаждении из расплавленного состояния
до комнатной температуры
По химическому составу и микроструктуре стали на
нашем примере сталь является доэвтектоидной, которая содержат от 0,02 до 0,8 %
углерода и имеет структуру феррит (Ф) или феррито-перлитную (Ф + П) (рис. 1);
Рис.1. Микроструктуры углеродистых сталей:
доэвтектоидные
По содержанию углерода сталь классифицируется,
на нашем примере, как среднеуглеродистая, с содержанием углерода 0,3…0,6 %.
Углеродистые стали - основной конструкционный
материал, свойства которого зависят от количества углерода, структуры и
содержания примесей. С ростом содержания углерода меняется структура,
уменьшается количество феррита, увеличивается количество перлита, а,
соответственно, увеличиваются прочность и твердость, и уменьшается
пластичность.
При охлаждении расплавленной стали формирование
структуры ее происходит в определенной последовательности. Графическое
изображение состояния стали и ее структуры в зависимости от температуры и
содержания в ней углерода называется диаграммой состояния. Такая диаграмма
изображена на рис. 2. Посмотрим, как ею можно воспользоваться для определения
структуры стали с заданным содержанием углерода при той или иной температуре.
Рис.2 Часть диаграммы состояния железо-углерод
Найдем на нижней горизонтальной линии диаграммы,
где отложено содержание углерода в %, точку, соответствующую 0,6% С. Это будет
точка М. Проведем из нее вертикальную прямую. При любой температуре выше линии
АС сталь находится в расплавленном состоянии. При охлаждении ниже температуры
точки 1 начнется ее затвердевание, и из жидкого расплава будут выделяться
кристаллы аустенита. При температуре ниже точки 2 затвердевание полностью
завершится, и сталь будет иметь структуру, состоящую только из аустенита.
Затем, когда температура опустится ниже точки 3, начнется перестройка атомной
решетки железа из гране-центрированной в объемно-центрированную. Это значит,
что появится феррит - твердый раствор углерода в железе с
объемно-центрированной решеткой. Но в феррите, может содержаться лишь ничтожно
малое количество углерода, и поэтому почти весь углерод сохраняется в
оставшемся еще аустените.
Таким образом, с повышением содержания углерода
в стали увеличивается объем, занимаемый перлитом, и в результате повышается
твердость и прочность. И наоборот, с понижением содержания углерода
увеличивается доля феррита, и сталь становится мягкой и пластичной. В связи с
этим детали, от которых не требуется высокой прочности (шайбы, гайки и т. п.),
изготовляют из низкоуглеродистой стали, а детали, от которых требуется высокая
прочность, твердость или износостойкость (валы, оси и др.),- из стали с более
высоким содержанием углерода.
Какие методы упрочнения применяются для серого
чугуна? Кратко их опишите.
Для повышения износостойкости деталей из серого
чугуна, работающих в условиях сухого трения и трения со смазкой применяются
следующие методы поверхностного упрочнения:
поверхностная закалка (закалка ТВЧ);
диффузионное хромирование;
электролитическое хромирование;
лазерная обработка.
Самые распространенные и сравнительно простые
методы поверхностного упрочнения закалка ТВЧ и диффузионное хромирование для
феррито-перлитного серого чугуна не применяются. Применяемая для ковкого чугуна
закалка ТВЧ, для феррито-перлитного серого чугуна не применяется из-за
длительного времени превращения феррита в аустенит.
Диффузионное хромирование серого чугуна не
применяется в связи с тем, что взаимодействие между хромом и углеродом в
процессе диффузионного покрытия приводит к тому, что углерод из сердцевины
диффундирует навстречу хрому и связывает хром в карбиды. В результате этого
понижается диффузионная способность хрома, т.е. уменьшается толщина
диффузионного слоя. На деталях из серого чугуна удается получить упрочненный
слой не более 0,02-0,04 мм.
Электролитическое хромирование, применяемое для
повышения износостойкости деталей из серых чугунов, является сложным и дорогим
методом упрочнения, обеспечивающим глубину упрочненного слоя не более 0,05 мм.
Применяемая лазерная обработка поверхности
деталей серых чугунов, обеспечивает упрочненный слой толщиной до 0,60 мм,
причем наблюдается значительное снижение твердости по глубине упрочненного
слоя, необходимая твердость наблюдается на глубине 0,30-0,40 мм.
Применяемое лазерное поверхностное упрочнение
чугунов обладает существенными недостатками: высокой стоимостью оборудования,
низкой стойкостью рабочих органов, необходимостью применения специальных
обмазок.
Как влияют легирующие элементы на свойство
сталей при отпуске?
Элементы, специально вводимые в сталь в
определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются
легирующими элементами, а стали - легированными.
Содержание легирующих элементов может изменяться
в очень широких пределах: хром или никель - 1% и более процентов; ванадий,
молибден, титан, ниобий - 0,1… 0,5%; также кремний и марганец - более 1 %. При
содержании легирующих элементов до 0,1 % - микролегирование.
В конструкционных сталях легирование
осуществляется с целью улучшения механических свойств (прочности,
пластичности). Кроме того меняются физические, химические, эксплуатационные
свойства.
Легирующие элементы повышают стоимость стали,
поэтому их использование должно быть строго обоснованно.
Влияние легирующих элементов на превращения при
отпуске
Легирующие элементы замедляют процесс распада
мартенсита: никель, марганец - незначительно; хром, молибден, кремний -
заметно. Это связано с тем, что процессы при отпуске имеют диффузионный
характер, а большинство элементов замедляют карбидное превращение. Легированные
стали сохраняют структуру мартенсита отпуска до температуры 400…500oС. Так как
в легированных сталях сохраняется значительное количество остаточного
аустенита, то превращение его в мартенсит отпуска способствует сохранению
твердости до высоких температур.
Таким образом, легированные стали при отпуске
нагревают до более высоких температур или увеличивают выдержку.
Бронза - сплав меди, обычно с оловом как
основным легирующим элементом, но применяются и сплавы с алюминием, кремнием,
бериллием, свинцом и другими элементами.
Марку бронз составляют из букв «Бр»,
характеризующих тип сплава (бронза), букв, указывающих перечень легирующих
элементов в нисходящем порядке их содержания, и цифр, соответствующих их
усредненному количеству в процентах.
Алюминиевые бронзы могут быть как
двойными (например, БрА5), так и дополнительно легированными никелем,
марганцем, железом и др. Бронзы, содержащие до 4-5%Аl, характеризуются высокой
пластичностью. При ускоренном охлаждении сплавов с 6-8%Аl в структуре наряду с
пластичным α -твердым
раствором алюминия в меди появляется твердая, хрупкая γ '-фаза
(Сu32Аl19). Поэтому двухфазные сплавы обладают более высокой прочностью, но
пониженной пластичностью по сравнению с однофазными. Алюминиевые бронзы хорошо
обрабатываются давлением, коррозионностойки, имеют высокие механические
свойства, хорошие литейные свойства, однако при литье образуется
концентрированная усадочная раковина. Многокомпонентные бронзы, содержащие
>9-11%Аl, упрочняются закалкой
<http://matved2010.narod.ru/Glossary.html> и старением
<http://matved2010.narod.ru/Glossary.html>.
Алюминиевые бронзы, прежде всего,
используются в качестве заменителей оловянных. Из высокопрочных алюминиевых
бронз изготавливают шестерни, втулки, подшипники, пружины, детали
электрооборудования.
Алюминиевые бронзы хорошо
сопротивляются коррозии в морской воде и тропической атмосфере, имеют высокие
механические и технологические свойства. Однофазные бронзы, обладающие высокой
пластичностью, применяют для глубокой штамповки. Двухфазные бронзы подвергают
горячей деформации, или применяют в виде фасонного литья. Литейные свойства
алюминиевых бронз ниже, чем литейные свойства оловянных бронз, но они
обеспечивают высокую плотность отливок.
Бериллиевые бронзы обладают высокими
механическими (в частности, упругими) свойствами, стойкостью против коррозии и
удовлетворительной электро- и теплопроводностью, хорошо свариваются. Широко
известны бронзы, содержащие 1,6-2,6%Bе, 0,2-0,5%Ni, 0,1-0,25%Тi (БрБ2; БрБ2,5;
БНТ-1,9, БНТ-1,7, цифры указывают содержание бериллия % (по массе)).
Бериллиевые бронзы упрочняются закалкой (760-800оС) со старением (300-350оС,
2ч). В результате закалки фиксируется пересыщенный α -твердый
раствор <http://matved2010.narod.ru/Glossary.html> легирующих элементов в
меди. При этом бронза имеет высокую пластичность (δ =30-40%),
невысокую
прочность (σ в = 450-
560 МПа) и может подвергаться пластической деформации в закаленном состоянии.
При старении из пересыщенного га-раствора выделяются дисперсные частицы γ -фазы
(СuВе). Бронзы БрБ2 и БрБ2,5 после закалки и старения обладают высокой
прочностью ((σ в =
1250-1300 МПа), но малой пластичностью (δ= 2-5%). Промежуточная
холодная пластическая деформация обеспечивает дополнительное повышение
прочности до σ в = 1400
МПа.
Бериллиевые бронзы относятся к
сплавам, упрочняемые термической обработкой. Обладая высокими значениями
временного сопротивления, пределами текучести и упругости. Бериллиевые бронзы
применяют для мембран, пружин, пружинящих контактов, деталей, работающих на
износ, в электронной технике
Алюминиевые бронзы
БрАЖ9-4 - Для обработки давлением ( прутки,
трубы, листы)
БрАЖН10-4-4 - Детали химической аппаратуры
БрА9Ж3Л - Арматура, антифрикционные детали
БрА10Ж3Мц2 - Арматура, антифрикционные детали
Выберите и обоснуйте выбор марок сплавов для
следующих деталей: а) тяжело нагруженного коленчатого вала; б) лопатки паровой
турбины; в) пружинного контакта в реле
дефектоскопия
сталь сплав
А. Коленчатый вал (коленвал) - это деталь (или
узел деталей в случае составного вала) сложной формы, имеющая одну или
несколько шеек для крепления шатунов, от которых воспринимает усилия и
преобразует их в крутящий момент. Составная часть кривошипно-шатунного
механизма (КШМ).
Коленчатые валы изготовляют из углеродистых,
хромомарганцевых, хромоникельмолибденовых, и других сталей, а также из
специальных высокопрочных чугунов. Набольшее применение находят, стали марок
45, 45Х, 45Г2, 50Г, а для тяжело нагруженных коленчатых валов дизелей-40ХНМА,
18ХНВА с повышенными пределами текучести и прочности.
Б. Лопатка паровой турбины - деталь,
устанавливаемая по окружности рабочих и направляющих дисков или роторов
турбины. Направляющие лопатки служат для изменения направления и скорости
движения пара, проходящего между этими лопатками. Рабочие лопатки воспринимают
энергию струи пара, который своим давлением на них приводит ротор турбин во
вращение.
В конструкциях лопаток применяются коррозионностойкие
и жаропрочные стали по ГОСТ 18968-73, а также металлические сплавы на никелевой
основе.
Стали марок 08X13, 12X13 служат материалом для
лопаток паровых турбин, работающих при температуре ниже 400°C. Сталь марки
20X13 применяется для лопаток, работающих при температуре, достигающей 440°C.
При более высоких температурах до 540°C для изготовления лопаток назначают
сталь марки 15Х11МФ. При температурах до 580°C применяется сталь марки
15Х12ВНМФ. Указанные стали относятся к мартенситно-ферритному и мартенситному
классам.
Если лопатки предназначены для работы в условиях
более высоких температур, достигающих 600-650°C и даже 700°C, то они
изготавливаются из сталей аустенитного класса с высоким содержанием никеля и
марганца. К таким сталям принадлежат марки 09Х14Н19В2БР1 и ХН35ВТ, пригодные
для работы с температурой среды до 650°C, марка ХН35ВТК, допускающая работу при
температуре до 700°C.
Основные марки титана, применяемые в
турбостроении: ВТ-3-1; ВТ-6; ВТ-9, ВТ-22; ВТ-5 поставляются в виде прутков по
ОСТ 9.0006-86 с хим. составом по ОСТ 1-90013-81.
В. Пружинный контакт в реле
Реле - электрическое устройство (выключатель),
предназначенное для замыкания и размыкания различных участков электрических
цепей при заданных изменениях электрических или неэлектрических входных
величин.
Механические и физические свойства бериллиевой
бронзы и других материалов, применяемых для изготовления пружин миниатюрных
реле.
Бериллиевая бронза обладает хорошими
механическими свойствами и высокой электропроводностью. Недостатками ее
являются токсичность и низкая теплостойкость. Пружины из бериллиевой бронзы
могут длительно сохранять свои механические характеристики только при
окружающей температуре не более +150° С.
В настоящее время применяют новые сплавы 538,
67КН5Б, 131 и 184, которые обладают более высокой теплостойкостью, чем у
бериллиевой бронзы, и успешно ее заменяют. Сплав 538 в своей основе содержит
медь и в качестве компонентов-никель, алюминий, марганец и хром. Он может
длительно эксплуатироваться при температуре до +200 °С. Сплав 67КН5Б в своей
основе содержит кобальт и в качестве компонентов - никель (27-129%), ниобий
(4,8-5,2%), а также марганец и кремний. Максимальная рабочая температура пружин
из этого сплава +400 °С. Сплавы 131 и 184 в своей основе содержат медь и в
качестве компонентов- никель, алюминий, кремний и хром. Эти новые пружинные
материалы рассчитаны на длительную работу при температуре +250 °С.
В чем сущность литейного производства?
Каковы основные направления
Сущность литейного производства сводится к
получению жидкого, т.е. нагретого выше температуры плавления, сплава
необходимого состава и качества и заливке его в заранее приготовленную форму.
После охлаждения металл затвердевает и сохраняет конфигурацию той полости, в которую
он был залит. Таким образом, чтобы изготовить отливку, необходимо:
) определить материалы, которые нужно ввести в
шихту для плавки,
произвести их расчет, подготовить эти материалы
(разделать на куски, отвесить нужное количество каждого компонента); загрузить
материалы в плавильную печь;
) осуществить плавку - получить жидкий металл
необходимой температуры, жидкотекучести, должного химического состава, без
неметаллических включений и газов, способный при затвердевании образовать
мелкокристаллическую структуру без дефектов с достаточно высокими механическими
свойствами;
) до окончания плавки приготовить литейные формы
(для заливки в них металла), способные, не разрушаясь, выдерживать высокую
температуру металла, его гидростатическое давление и размывающее действие
струи, а также способные пропускать через поры или каналы, выделяющиеся из
металла газы;
) произвести выпуск металла из печи в ковш и
доставить его к литейным формам; выполнить заливку литейных форм жидким
металлом, не допуская перерывов струи и попадания в форму шлака;
) после затвердевания металла раскрыть формы и
извлечь из них отливки;
) отделить от отливки все литники (металл,
застывший в литниковых каналах), а также образовавшиеся (при некачественной
заливке или формовке) приливы и заусеницы;
) очистить отливки от частиц формовочной или
стержневой смеси;
) осуществить контроль качества и размеров
отливок.
Можно получать отливки различной массы (от
нескольких граммов до сотен тонн), простой и сложной формы из чугуна, стали,
сплавов меди и алюминия, цинка и магния и т.д. Особенно эффективно применение
отливок для получения фасонных изделий сложной конфигурации, которые невозможно
или экономически нецелесообразно изготавливать другими методами обработки
металлов (давлением, сваркой, резанием), а также для получения изделий из
малопластичных металлов и сплавов.
Источник информации
. Черепахин А.А. Материаловедение:
учебник / А.А. Черепахин. - М.: Академия, 2011 - 256с.
. Арзамасов В.Б. Материаловедение :
учебник/ В.Б. Арзамасов, А.А.Черепахин-М.: Изд.Центр Академия, 2013. -176с.
Интернет - ресурсы:
. Материаловедение: образовательный
ресурс [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http.//Materialscience.ru/
books.Htm.-24.10.2013