Контрольная работа по "Материаловедению"

                                        Содержание 

  1. Вопрос  №1. Железо и его сплавы. Диаграмма  состояния « железо-

цементит». Критические точки и структурные  составляющие……………..   3

     1.1. Сплавы железа с углеродом…………………………………………..    3

     1.2. Диаграмма состояния «железо-цементит».  Критические точки

и структурные  составляющие …………………………………………………  5

     1.3. Влияние углерода  и примесей на свойства стали  ……………………  8 

  2. Вопрос  №2. Технологические особенности  производства изделий

из полимерных материалов. Свободное литьё в  формы. Оборудова-

ние и оснастка…………………………………………………………………    11

     2.1. Технология переработки пластмасс  ………………………………...    11

     2.2. Литьё без давления. Оборудование  и оснастка …………………....     13

        2.2.1. Перерабатываемые материалы  и ассортимент изделий ……….    13

        2.2.2. Технология переработки. Оборудование  и оснастка ………….     15

 

3. Литература………………………………………………………………….    19

 

    Вопрос №1.Железо  и его сплавы. Диаграмма состояния  «железо-цементит». Критические точки и структурные составляющие.

        Железо и его сплавы - важнейшие конструкционные материалы в технике и, конечно же, в машиностроении. В настоящее время, несмотря на широкое использование цветных металлов,  пластмасс и керамики, объём применения сталей и чугунов в технических изделиях заметно опережает объём применения других материалов.

     Существование  полиморфных модификаций железа  с различными параметрами кристаллической решётки определяет особенности фазового и структурного состояния системы «железо-углерод». По этой причине, а также вследствие ограниченной растворимости углерода в железе диаграмма состояния системы «железо-углерод» включает большое разнообразие фаз и структур, в том числе твёрдые растворы углерода в железе – аустенит и феррит, химическое соединение – карбид железа или цементит, а также механические смеси твёрдых растворов и цементита. Особенности термодинамического равновесия в системе железо – углерод обуславливают присутствие в ней неравновесных (метастабильных) фаз, образующихся в условиях неравновесной кристаллизации.

     Разнообразие  фазовых и структурных составляющих  в системе «железо-углерод» создаёт  благоприятные предпосылки для  разработки сталей и чугунов с заданными механическими свойствами. Дополнительные возможности регулирования этих свойств открываются при введении в сплавы железа с углеродом легирующих элементов. При этом изменяются критические температуры фазовых превращений сталей и чугунов, в них образуются новые фазовые и структурные составляющие, меняются такие важные эксплуатационные свойства, как износостойкость, коррозийная стойкость, жаростойкость и т.д.

  

       1.1.Сплавы железа с углеродом.

        Железо (Fe) – элемент 8-й группы периодической системы элементов Д.И.Менделеева, располагающийся в триаде Fe, Co, Ni. Его содержание в земной коре составляет около 4,5%. Это четвертый по распространённости в природе элемент. Температура плавления железа составляет 1539 ± 5ºС. Плотность 7 680 кг/м³, предел прочности при растяжении 200 – 250 МПа, относительное удлинение 50-60%, твёрдость 70 – 80 НВ. Указанные данные относятся к технически чистому железу, содержащему около 0,1% примесей. Повышение степени очистки приводит к снижению прочности и твёрдости железа.

       Железо относится  к металлам переходной группы, свойства которых чувствительны к содержанию примесей. Повышение чистоты железа приводит к повышению степени переохлаждения при кристаллизации, существенно влияет на форму и размеры кристаллитов. В железе особо высокой чистоты содержание примесей составляет не более 3·10^-4%.

       В системе «железо  – углерод» существуют следующие  фазы: жидкий сплав, твёрдые растворы (феррит и аустенит), химическое  соединение (цементит) и свободный углерод в виде графита. Кроме того, к структурным составляющим этой системы относят перлит и ледебурит – механические смеси.

          Феррит – твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе. У него кубическая объёмноцентрированная (ОЦК) решётка , и поэтому растворим-

мость углерода в феррите очень  мала. Низкотемпературный α-феррит содержит до 0,02% углерода, высокотемпературный α-феррит (или δ-феррит) содержит до 0,1% углерода. Техническое железо имеет структуру феррита, которая вытравливается на шлифах в виде однородных зёрен. Феррит высокопластичен (δ=40-50%) и мягок ( 80–120 НВ), хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии. На диаграмме состояния обозначается буквой Ф или α.

       Аустенит – твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе с содержанием углерода до 2,14%. Микроструктура – однородные зёрна, существует при Т >+911ºС. Высокопластичен, но не более твёрд, чем феррит (160 – 200 НВ). Кроме углерода , растворяет другие элементы. На диаграмме состояния обозначается буквой А или γ.

       Цементит – химическое соединение Fe₃C, и содержит 6,67% углерода. Самая твёрдая (800 НВ) и хрупкая составляющая сплавов железа с углеродом. Решётка сложная ромбическая, плотноупакованная. Температура плавления равна +1250ºС. До Т=+210ºС  цементит магнитен. При высоких температурах разлагается на графит и аустенит. Образует твёрдые растворы замещения, в которых углерод замещается неметаллами (кислородом, азотом), а железо – металлами (марганцем, хромом, вольфрамом и т.д.). Материалы на основе цементита в чистом виде не используют. Твёрдость сплава «железо – углерод» тем выше, чем больше в нём цементита (обозначают на диаграмме состояния буквой Ц).

        Графит – полиморфная модификация углерода, он мягок, прочность его очень низка. Температура плавления – около +3800ºС, плотность – 2500 кг/м³. Химически стоек и электропроводен. На диаграмме состояния обозначается буквой Г.

        Перлит – механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83% углерода. Образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита при Т=+723ºС. Этот распад называется эвтектоидным, а его продукт – перлит – эвтектоидом. Перлит обладает высокими прочностью (σ_В =800 МПа), твёрдостью (200 НВ) и в составе сплава повышает его механические свойства. Структура перлита – чередующиеся пластинки феррита и цементита. На диаграмме состояния обозначается буквой П.

       Ледебурит – механическая смесь аустенита и цементита, образуется при кристаллизации сплава с 4,3% углерода при Т=+1147ºС. При температурах ниже +727ºС аустенит в ледебурите превращается в перлит, и после охлаждения ледебурит представляет собой эвтетику – смесь перлита с цементитом. Ледебурит твёрд (700 НВ), имеет сотовое или пластинчатое строение и содержится во всех белых чугунах. На диаграмме состояния обозначается буквой Л.

 

       1.2.Диаграмма состояния «железо – цементит». Критические точки и структурные составляющие.

       В диаграмме  состояния железо – цементит ( Fe – Fe₃С) рассматриваются процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали и чугуна) и превращения в их структурах при медленном охлаждении от жидкого расплава до комнатной температуры. Диаграмма (рис.1) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14 до 6,67% - чугуном.

       Диаграмма состояния  Fe – Fe₃C представлена в упрощенном виде. Первичная кристаллизация, т.е. затвердевание жидкого сплава начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса АСD. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре 1539º плавления (затвердевания) железа, точка D – температуре ≈ 1600ºС плавления (затвердевания) цементита. Линия солидуса АЕСF соответствует температурам конца затвердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а линии СD – цементит, называемый первичным цементитом. В точке С при 1147ºС и содержании углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит (первичный), образуя эвтектику–ледебурит. При температурах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интервале 2,14 – 4,3%С – аустенита, а в интервале 4,3 – 6,67%С цементита первичного (см. рис.1).

 

Диаграмма состояния железо – цементит.

       Рис.1

      

      В результате первичной  кристаллизации во всех сплавах  с содержанием углерода до 2,14, т.е. в сталях, образуется однофазная  структура – аустенит. В сплавах  с содержанием углерода более  2,14%, т.е. в чугунах, при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

      Вторичная  кристаллизация (превращение в твёрдом состоянии) происходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK и GPQ. Превращения в твёрдом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной аллотропической модификации в другую (γ в α) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С понижением температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твёрдых растворов в виде цементита.

       В области диаграммы  АGSE находится аустенит. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением феррита при температурах, соответствующих линии GS, и цементита, называемого вторичным, при температурах, соответствующих линии SE. Вторичным называют цементит, выделяющийся из твёрдого раствора аустенита, в отличие от первичного цементита, выделявшегося из жидкого расплава. В области диаграммы GSP находится смесь феррита и распадающегося аустенита. Ниже линии GP существует только феррит. При дальнейшем охлаждении до температур, соответствующих линии PQ, из феррита выделяется цементит (третичный). Линия PQ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02 при 727ºС до 0,005% при комнатной температуре.

      В точке S при содержании 0,8% углерода и температуре 727ºС весь аустенит распадается и превращается в механическую смесь феррита и цементита перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной (рис. 2, б). Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода называют доэвтектоидными (рис. 2, а), а от 0,8 до 2,14% углерода – заэвтектоидными (рис. 2, в). 

      

      

        Рис. 2

Микроструктура:   

а – доэвтектоидная сталь –  феррит (светлые участки) и перлит

(тёмные участки) при 500^х увеличении, б – эвтектоидная сталь

перлит (1000^х), в – заэвтектоидная сталь – перлит и цементит

в виде сетки (200^х)

 

     При температурах, соответствующих  линии PSK, происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита, представляющего собой механическую смесь феррита и цементита. Линию PSK называют линией перлитного превращения.

     При температурах, соответствующих  линии SE, аустенит насыщен углеродом, и при понижении температуры из него выделяется избыточный углерод в виде цементита (вторичного).

      Вертикаль DFKL означает, что цементит имеет неизменный химический состав. Меняется лишь форма и размер его кристаллов, что существенно отражается на свойствах сплавов. Самые крупные кристаллы цементита образуются, когда он выделяется при первичной кристаллизации из жидкости.

      Белый чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим (рис. 3). Белые чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода, называют доэвтектическими, а от 4,3 до 6,67% углерода – заэвтектическими.

                    

         

      а) б) в) Рис. 3

               Микроструктура белого чугуна при 500^х увеличении:

            а – доэвтектический чугун  – перлит (тёмные участки) и  ледебурит (цементит 

            вторичный в структуре не виден), б – эвтектический чугун –  ледебурит (смесь

            перлита и цементита), в – заэвтектический  чугун – цементит (светлые пласт-

           ны) и ледебурит   

 

    По достижению температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обеднённый углеродом до эвтектоидного состава (0,8% углерода), превращается в перлит. После окончательного охлаждения доэвтектические белые чугуны состоят из перлита, ледебурита (перлит + цементит) и цементита (вторичного). Чем больше в структуре такого чугуна углерода, тем меньше в нём перлита и больше ледебурита.

    Белый эвтектический чугун (4,3% углерода) при температурах ниже 727ºС состоит только из ледебурита. Белый заэвтектический чугун,  содержащий более 4,3% углерода, после  окончательного охлаждения состоит  из цементита (первичного) и ледебурита. Следует отметить, что при охлаждении ледебурита ниже линии PSK входящий в него аустенит превращается в перлит, т.е. ледебурит при комнатной температуре представляет собой уже смесь цементита и перлита. При этом цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита является причиной его большой твёрдости (НВ >600) и хрупкости.

    Диаграмма состояния железо –  цементит имеет большое практическое  значение. Её применяют для определения тепловых режимов термической обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штамповка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Её используют также в литейном производстве для определения температуры плавления, что необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы.

 

    1.3. Влияние углерода и примесей на свойства стали.

     Структура и свойства сталей сильно зависят от содержания в них углерода и так называемых постоянных примесей. Наиболее влияние углерода проявляется в изменении механических свойств сталей. Структура малоуглеродистой  стали после медленного охлаждения состоит из двух фаз феррита и цементита. Содержание цементита в ней прямо пропорционально содержанию углерода в сплаве. Поскольку феррит пластичен, а цементит твёрд и хрупок, прочность и твёрдость стали с ростом содержания углерода растут, а ударная вязкость , характеристики пластичности, плотность стали, электропроводность, теплопроводность и магнитная проницаемость снижаются. Одновременно повышается хладноломкость стали. При содержании углерода более 1% прочность начинает снижаться, так как выделяющийся на границах зёрен вторичный цементит образует сплошную сетку, которая становится очагом хрупкого разрушения из-за концентрации напряжений на границах зёрен.