Свойства и состав сплавов

Свойства и состав сплавов

1) Охарактеризовать, найти примеры, описать свойства, состав, структуру и указать область применения материала пеностекло.

2) Сплав марки 40ХНМА

а) описать состав, микроструктуру, свойства;

б) привести примеры применения;

в) назначить режимы термообработки для конкретной детали из этого сплава;

г) описать микроструктуру и свойства после термообработки.

3) Железоуглеродистый сплав, содержащий 4,1% углерода:

а) построить кривую охлаждения от 1600?С до 0?С;

б) описать превращения на каждом участке кривой охлаждения и с применением правила фаз определить степень свободы;

в) для заданного сплава при температуре 1190?С определить состав фаз (т.е. процентное содержание углерода в фазах), количественное соотношение фаз, количество каждой фазы в процентах при заданной температуре.

Задание №1

Впервые в мире о пеностекле как о строительном материале упомянул в своем докладе академик И.И. Китайгородский на Всесоюзной конференции по стандартизации и производству новых материалов в Москве в 1932 году. Тогда же были озвучены и теоретические принципы технологии производства этого материала. Пеностекло в научном мире вызывало настолько сильный интерес, что проблематика его экспериментального производства решалась одновременно ведущими физико-химическими лабораториями и группами ученых во многих странах.

ПЕНОСТЕКЛО имеет пористую, ячеистую структуру. Вырабатывается из тонкоизмельченного боя стекла с добавками порообразующих материалов (молотый известняк, уголь) в виде плит и блоков. При нагреве частицы стекла начинают сплавляться, а газы, выделяемые газообразователями, вспучивают стекломассу, образуя в ней большое количество замкнутых пор. Пористость пеностекла 80-95%, что обусловливает высокие теплоизоляционные качества материала. Пеностекло похоже на застывшую мыльную пену (как правило, серовато-зеленого цвета) с ячейками размером от долей миллиметра до сантиметра. Коэффициент теплопроводности этого утеплителя - от 0,03 до 0,1 Вт/мК. При плотности от 100 до 600 кг/м3 он выдерживает нагрузку от 5 до 75 кг/см2. Закрытопористая структура обеспечивает водонепроницаемость материала. Как и обычное стекло, он инертен к химически активным веществам, в том числе почти ко всем кислотам, не подвержен воздействию грибков и бактерий, а мышам и крысам просто не по зубам.

Сырьем для производства пеностекла могут быть практически любые силикатные отходы, например, металлургические шлаки. Пеностекло характеризуется водостойкостью, морозостойкостью, несгораемостью, хорошим звукопоглощением, его легко обрабатывать режущим инструментом.

Краткие технические характеристики пеностекла:

· Диапазон рабочих температур: от -260° С до +485° С;

· Теплопроводность: 0,048 Вт/мК ( при 0° С );

· Плотность: 170 кг/м2;

· Предел прочности при сжатии: 0,7- 2 МПа;

· Водопоглощение: 2,1% по объему;

· Шумопоглощение: до 56 Дб.

Размеры:

o длина - 200 - 475 мм;

o ширина - 400 мм;

o толщина - 60, 80, 100, 120, 140 мм.

Пеностекло в виде плит длиной 500, шириной 400 и толщиной 70-140 мм используют в строительстве для утепления стен, перекрытий, кровель и других частей зданий, а в виде полуцилиндров, скорлуп и сегментов - для изоляции тепловых агрегатов и теплосетей, где температура не превышает 300°С. Кроме того, пеностекло служит звукопоглощающим и одновременно отделочным материалом для аудиторий, кинотеатров и концертных залов.

Долговечность пеностекла и стабильность свойств во времени

Гарантированный срок эксплуатации пеностекла более 100 лет. Это подтверждается опытными вскрытиями объектов, теплоизолированных с использованием блоков из пеностекла в середине 1950-х годов. Вскрытие объектов, теплоизолированных пеностеклом более полувека назад, не выявило никаких изменений в структуре данного материал (так как он представляет собой не что иное, как обычное вспененное стекло). Именно это и делает его особо устойчивым к химически и биологически активным средам, а также к термическому воздействию.

Пеностекло позволяет удешевить строительство на 20-25%.

Прочность пеностекла, сжимаемость, механическая обработка, методы крепления

Пеностекло не уступает по прочности большинству более плотных материалов из группы средней плотности. Например, газобетоны имеют значительно более высокую плотность и коэффициент теплопроводности и, соответственно, более низкие теплозащитные свойства.

Сопоставление предела прочности на сжатие пеностекла и других материалов дает следующие значения:

· прочность жестких плит из минеральной и стеклянной ваты меньше в 2 раза

· прочность самых прочных плит из экструдированного полистирола меньше в 2 раза

· прочность плит из спекаемого пенополистирола меньше в 10 раз

Приведенные значения прочности различных типов материалов даны для сухих образцов. В то же время влажные минераловатные и стекловатные плиты, а также плиты из пенополистирола заметно снижают свою прочность в отличие от пеностекла, не изменяющего ее из-за полного отсутствия влияния влаги на данный параметр этого материала.

Пеностекло как самый прочный теплоизоляционный материал способно без всякого дополнительного крепления выдерживать давление, обусловленное собственным весом, в пределах двух этажей. Это позволяет производить теплоизоляционные работы простым и недорогим способом обычной облицовки. Пеностекло отлично клеится, крепится и связывается любым штукатурным составом, клеем, мастикой и т.п. Обусловлено это тем, что прилипание происходит не за счет адгезии, а за счет чрезвычайно развитой поверхности пеностекла и механического сцепления поверхностей при помощи затвердевающего состава. Кроме того, пеностекло отлично обрабатывается столярными инструментами. Данное свойство применяется при теплоизоляции пеностеклом не только простых плоскостей, но и сложных фасонных изделий, а также криволинейных поверхностей. В таком случае блокам из пеностекла путем механической обработки придаются необходимые геометрические параметры.

Гигроскопичность пеностекла равна нулю. Его сорбционная влажность близка к нулю (менее 0,5%) даже в атмосфере со стопроцентной влажностью. Водопоглощение пеностекла при полном погружении в жидкость не превышает 5% от общего объема материала и обусловлено лишь накоплением влаги в поверхностном слое разрушенных при механической обработке ячеек. Водопоглощение пеностекла независимо от периода полного увлажнения не возрастает с течением времени, что позволяет эксплуатировать данный материал как при максимальной влажности атмосферы и почвы, так и непосредственно в воде. Влагопроницаемость и паропроницаемость пеностекла равны нулю, и данный материал не пропускает жидкости и пары ни одним из способов переноса вещества (конвекция, капиллярные явления, диффузия и т.п.). Значит, в отношении гидроизолирующих и пароизолирующих свойств пеностекла можно абсолютно достоверно утверждать: этот материал изолирует на 100%! Пеностекло, по химической структуре мало, чем отличающееся от обычного оконного или посудного стекла, не разрушается под воздействием воды и пара. Пеностекло вообще имеет очень высокую химическую стойкость, о чем будет сказано ниже. Смачиваемость поверхности материала водой, у пеностекла весьма невысока по причине присущих ему гидрофобных свойств.

Единственным способом, позволяющим избежать накопления влаги в волокнистом теплоизоляционном материале во время эксплуатации, является создание условий постоянной циркуляции воздуха (свободной или принудительной) внутри материала. Для этого создаются такие дорогие архитектурные решения, как вентилируемые фасады и кровли. В то же время материалы, состоящие из герметично замкнутых ячеек (пеностекло) могут использоваться при любых типах теплоизоляции, так как не отличаются значительным водопоглощением. На территории бывшего СССР, существуют сооружения, кладка которых полностью выполнена из пеностекла. Десятилетия эксплуатации подобных зданий не выявили никаких дефектов, трещин и тому подобной порчи кладки. Все это по причине легкости стен, не испытывающих перегрузок под собственным весом, и высокой прочности материала, которая позволяет не только выдерживать собственный вес, но и удерживать значительный вес кровли.

Теплосберегающий материал выпускают в виде плит и блоков, "скорлуп" для трубопроводов, а также гравия ("конкурент" керамзита). Плиты и блоки используют для утепления полов, кровель и стен жилых зданий (в том числе и высотных), хозяйственных сооружении.

Благодаря небольшому весу материал пригоден для строительства на "слабых" грунтах (снижается нагрузка на фундамент) и надстройки верхних этажей. Он годится для создания "плавучих" и огнезащитных конструкций, для изоляции оборудования, работающего при температурах до 500 C.

Щебень, образующийся при распилке материала, а также гранулы, применяются в качестве теплоизоляционной засыпки в конструкциях крыш и чердаков. Они участвуют в производстве легких бетонов.

Если предположить, что пеностекло начнет разрушаться, то продукты деструкции будут столь же безопасны, как и блоки из пеностекла. В результате его разрушения получаются крошки (фракцией в миллиметры), представляющие собой многогранные (без острых граней) узлы материала между ячеек.

Обладая полной влагонепроницаемостью, пеностекло не требует наличия паронепроницаемой прокладки, а при повреждении верхнего слоя покрытия препятствует проникновению влаги в помещение. Коэффициент линейного расширения его такой же, как у бетона, следовательно температурные колебания в одинаковой степени воздействуют на оба материала. В случае пожара наружные и внутренние повреждения окажутся минимальными, так как пеностекло не горит и не выделяет дыма или токсичных газов.

Благодаря термической и химической стойкости пеностекло может быть использовано для изоляции аппаратуры и реакционных сред. Так как наружная поверхность материала состоит из множества разрезанных ячеек, то оно легко и прочно клеится мастиками, соединяется цементным раствором, штукатурится.

Экологическая безопасность

Применимо для любых видов строительства резервуаров и технологических линий в пищевой и фармацевтической промышленности.

Отличные монтажно-конструкционные свойства

В отличие от традиционных теплоизоляционных материалов (газобетон, пенопласты) хорошо сочетается с алюмосиликатными вяжущими (цементные, известково-цементные растворы); легко обрабатывается режущими инструментами; сверлится, прибивается гвоздями, клеится.

Низкая плотность при высокой прочности:

· снижает нагрузку на фундамент и позволяет строить на слабых грунтах;

· надстройка верхних этажей зданий;

· незаменимо для теплоизоляции перекрытий, кровель полов;

· незаменимый наполнитель для легковесных панелей;

· позволяет изготавливать понтонные и иные плавучие конструкции.

Химическая инертность, высокая коррозионная устойчивость:

· изготовление многоразовой изоляции;

· время эксплуатации практически не ограничено;

· безусадочность (долговременная стабильность размеров), жесткость пеностекла позволяют использовать его при создании обогреваемого пола, тротуаров, автостоянок;

· использование для строительства резервуаров и трубопроводов для кислот и нефтепродуктов;

· эффективен для защиты зернохранилищ, хозяйственных и жилых помещений, т.к. не разрушается грызунами и насекомыми.

Основные потребители:

1) строительные компании;

2) жилищно-коммунальное хозяйство;

3) индивидуальное строительство;

4) сельское хозяйство;

5) предприятия: энергетики, химической, нефтехимической, машиностроительной, пищевой, бумажной, фармацевтической, транспортные трубопроводы.

Усовершенствованием пеностекла занимаются и в Красноярском научно-исследовательском физико-техническом институте. Специалисты изучают возможность использования в его производстве нефелинового шлама (остаточного продукта переработки нефелиновой руды).

Создание производства пеностекла и выход данного материала на рынок теплоизоляционных изделий позволит улучшить экологическую ситуацию и вследствие этого снижение использования опасных материалов, например, асбестсодержащих, которые полностью запрещены к применению в Европе, но продолжают использоваться в России. Альтернативы использованию пеностекла сейчас не существует, если мы хотим в будущем строить недорогое, безопасное и долговечное жилье.

Задание №2

40ХНМА (40ХН2МА) - хромоникельмолибденовая сталь. Легированная конструкционная сталь, в состав которой входят:

Х- хром;

Н- никель;

М- молибден;

Примеси P, S, Mn, Si.

Элементы C, Mn, Ni понижают температуру линии GS (рис.4) и повышают температуру полиморфного превращения. Элементы Mn, Cr, Mo являются карбидообразующими (элементы перечислены в порядке их карбидообразующей способности). При введении в сталь карбидообразующего элемента в небольшом количестве образование карбида этого элемента чаще всего не происходит. В этом случае атомы легирующего элемента частично замещают атомы железа в пространственной решетке.

Сталь 40ХНМА содержит (в среднем) 0,40% С, 0,17-0,37% Si, 1,25-1,65% Ni, 0,6-0,9% Cr, 0,15-0,25% Mo и относится к высококачественным, на что указывает в конце марки буква «А». Сталь относится к среднеуглеродистой, приобретает высокие механические свойства после термического улучшения- закалки (в масле) и высокого отпуска (550-700?С) (рис.1). Данная сталь относится к глубокопрокаливающимся сталям, предназначенным для деталей с поперечным сечением 100мм и более. Их комплексное легирование обусловлено тем, что применение чисто хромоникелевых сталей нецелесообразно, так как они имеют сильно выраженную склонность к обратимой отпускной хрупкости. Для ее устранения многие детали небольших размеров из этих сталей охлаждают после высокого отпуска в масле, а более крупные детали - в воде. Но охлаждение в воде для многих крупногабаритных деталей из данного материала не приводит к достаточно быстрому охлаждению внутренних частей, в которых развивается отпускная хрупкость. Для предотвращения этого дефекта сталь легируют молибденом. Небольшие детали из этой стали после высокого отпуска можно охлаждать на воздухе, а более крупные - в масле. Механические свойства данной стали приведены на рис.2.

Рис.1.Режим высокого отжига конструкционной стали

Рис.2. Механические свойства данной стали

Сталь относится к мартенситному классу, закаливается на воздухе, обладает малой склонностью к хрупкому разрушению, хорошо работает при динамических нагрузках и в условиях пониженных температур. Сталь слабо разупрочняется при нагреве и может применяться при температурах до 300-400?С. Сталь предназначена для деталей наиболее ответственного назначения (коленчатые валы, клапаны, шатуны, крышки шатунов, ответственные болты, шестерни, кулачковые муфты, диски и другие тяжелонагруженные детали. Валки для холодной прокатки металлов)

Недостатком этой стали является высокая стоимость, пониженная обрабатываемость резанием, склонность к образованию флокенов (представляют собой в изломе пятна, а в поперечном микрошлифе - трещины).

Химический состав в % материала 40ХНМА, по ГОСТ 4543-71

Температура критических точек, ?С

Рассмотрим термообработку вала d=40мм.

I Закалка 850С, масло. Отпуск 620 С, закалка ТВЧ.

Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплаве образуется неравновесная структура. Конструкционную сталь закаливают для упрочнения.

После закалки на мартенсит и высокого отпуска свойства легированной стали определяются концентрацией углерода в мартенсите. Чем она выше, тем больше твердость и прочность, ниже ударная вязкость. Легированные элементы влияют на механические свойства косвенно, увеличивая или уменьшая концентрацию углерода в мартенсите. Карбидообразующие элементы (Cr, Mo,) увеличивают прочность связи атомов углерода с атомами твердого раствора, снижают термодинамическую активность (подвижность) атомов углерода, способствуют увеличению его концентрации в мартенсите, т.е. упрочнению. Таким образом, задача закалки -- получение структуры мартенсита с максимальным процентным содержанием углерода.

При нагреве до температуры 730С структура сплава остается постоянной - перлит. Как только пройдена точка Ас1 на границах зерен перлита начинает зарождаться аустенит. В нашем случае мы имеем полную закалку, т.к. температура превышает Ас3 , то весь перлит переходит в аустенит. Таким образом, нагрев до 820С мы получили однофазную структуру - аустенит, при этом при повышении температуры после 800С зерно растет.

Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, следовательно, скорость охлаждения должна превышать критическую. Такое охлаждение наиболее просто осуществляется погружением закаливаемой детали в жидкую среду (вода или масло), имеющую температуру 20-25С. В результате такой обработки получается теплостойкий мартенсит, с некоторым количеством остаточного аустенита.

II Отпуск при 620С 1,5 часа в воде.

Отпуск - термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сталях происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной.

40ХНМА подвергается отпуску при t = 620С -- высокий отпуск. При этом надо учитывать, что при температурах отпуска более 500С охлаждение производят в воде.

При высоких нагревах в углеродистых сталях происходят изменения структуры, не связанные с фазовыми превращениями: изменяются форма, размер карбидов и структура феррита. Происходит коагуляция: кристаллы цементита укрупняются и приближаются к сферической форме. Изменения структуры феррита обнаруживаются, начиная с температуры 400С: уменьшается плотность дислокаций, устраняются границы между пластинчатыми кристаллами феррита (их форма приближается к равноосной). Снимается фазовый наклеп, возникший при мартенситном превращении. Ферритно-карбидную смесь, которая образуется после такого отпуска, называют сорбитом отпуска.

После I и II пунктов необходимо провести закалку током высокой частоты (ТВЧ) - закалка поверхности: при большой частоте тока, плотность тока в наружных слоях проводника оказывается во много раз больше, чем в сердцевине. В результате почти вся тепловая энергия выделяется на поверхности и нагревает поверхностный слой до температуры закалки. Охлаждение осуществляется водой, подающейся, как правило, через спрейер.

При этом поверхностные слои упрочняются, в них возникают значительные сжимающие напряжения.

Характеристика материала 40ХНМА

Механические свойства при Т=20oС материала 40ХНМА

Технологические свойства материала 40ХНМА

Механические свойства при комнатной температуре

Технологические характеристики

Задание №3

Для построения, описания превращений на каждом участке кривой охлаждения построим диаграмму состояния Fe - Fe3C (рис.3.), на ней вертикальной прямой, параллельной оси температур укажем железоуглеродистый сплав, содержащий 4,1% углерода.

Рис.3. Диаграмма состояния Fe - Fe3C

Рассмотрим превращения, совершающиеся в высокоуглеродистом сплаве- чугуне, содержащем 4,1% углерода. В доэвтектическом сплаве, т.е. сплаве, содержащем углерода меньше 4,3%, но больше 2,14% (наш сплав находиться в этих пределах), кристаллизация сплава (точка 1, лежащая на линии ликвидус) начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. При последующем охлаждении происходит выделение кристаллов аустенита переменного состава (аустенит кристаллизуется в форме дендритов, которые, как правило, обладают химической неоднородностью, называемой дендритной ликвацией), концентрация которых определяется линией солидус (AHJECF), жидкость имеет концентрацию в соответствии с положением линии ликвидус (ABCD). В точке 2 при 1147?С ,т.е. при пересечении вертикали 1-2-3 с горизонталью ECF (1147?С), количество жидкости соответствует отрезку Е-2. Первичные выделения аустенита изменяют свою концентрацию при охлаждении от точки 2 до точки 3. При охлаждении из аустенита, структурно свободного и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит. Обедненный вследствие этого аустенит при температуре 727 ?С превращается в перлит (точка 3).

Структура доэвтектического чугуна показана на рис.5а-5б. После окончательного охлаждения данный чугун имеет структуру: перлит, ледебурит (который состоит из перлита и цементита) и вторичный цементит. Как правило, чем больше в чугуне углерода, тем меньше перлита и больше ледебурита. Крупные темные поля на фоне ледебурита - перлит, образовавшийся из структурно свободного аустенита.

Рис.4. Кривая охлаждения от 1600 ?С до 0 ?С

Рис.5а. Типичная структура железоуглеродистого сплава. Белый доэвтектический чугун (эвтектический монолитный цементит и перлит). Увеличено в 500 раз.

Рис. 5б. Типичная структура железоуглеродистого сплава. Белый доэвтектический чугун: дендриты первичного аустенита (и ледебурит). Увеличено в 150 раз.

Под числом степеней свободы системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление, концентрация), которое можно изменять без изменения числа фаз в системе. с= k-f+1 (при условии, что все превращения в металле происходят при постоянном давлении),где f- число фаз; k - число компонентов. В области ниже 727 ?С имеется две фазы - феррит и цементит, в области от 1147 ?С- аустенит и цементит.

Начиная с температуры точки 1, из жидкого сплава кристаллизуется твердый раствор. Процесс протекает при понижающейся температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при наличии двух фаз число степеней свободы будет равно единице (с=2+1-2=1 моновариантная система). Аналогично определяем степень свободы на других участках рис.4.

Определим для заданного сплава при температуре 1190 ?С состав фаз. Для определения состава фаз, лежащего между линиями ликвидус и солидус, нужно провести через данный температурных уровень линию, параллельную оси концентрации до пересечения с линиями ликвидус и солидус. Тогда проекция точки пересечения этой линии с ликвидусом (точка f) на ось концентрации укажет количество углерода в жидкой фазе (т.е. 4,2% С), точка пересечения с линией солидус (k)- в составе твердой фазы (1,9% С).

Для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводим также горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Если массу сплава считать равной единице (или 100%) и изображать отрезком kmf, то масса кристаллов в точке m у данного сплава равна (в %) отношению

Количество жидкости при данной температуре и содержании углерода 4,1% равно

.

Отношение количества твердой и жидкой фаз определяется соотношением

.

Список литературы

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1990.-528 с.: ил.

2. Гуляев А.П. Материаловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.:Металлургия, 1986. 544с.

3. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова.- 2-е изд., испр. и доп.- М.: Машиностроение, 1986. - 384 с., ил.

4. http://www.muster.alterweb.ru

5. http://teplo.atlas-stroi.ru

6. http://tm.msun.ru