takya.ru страница 1
скачать файл


МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ»

А.К. Кулаков, Е.И. Нестерова


Методические указания по выполнению расчетно-графической работы

по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов»

«Изучение микроструктуры и свойств железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии»

Санкт-Петербург


2010
УДК 778.5

Рецензент – доцент кафедры киновидеоаппаратуры Т.А.Трубникова


Кулаков А.К., Нестерова Е.И. Методические указания по выполнению расчетно- графической работы по дисциплине Материаловедение и технология конструкционных материалов: «Изучение микроструктуры и свойств железо-углеродистых сплавов в равновесном состоянии».- СПб: Изд. СПбГУКиТ, 2010. - 14 с.

В методических указаниях приводятся рекомендации по выполнению и примеры расчетно- графической работы по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов»: «Назначение режимов полной термической обработки стальной детали».

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 200101 «Приборостроение» очной и заочной форм обучения при изучении дисциплин кафедры прецизионных технологий и сертификации киновидеотехники.
Рекомендовано к изданию в качестве методических указаний Методическим советом ФМА. Протокол №3 от 11.11.10

РЕДАКТОР Н.Н.Калинина

© СПбГУКиТ, 2010

© Кулаков А.К., Нестерова Е.И.



Содержание







Введение


С.

4


1.




Цели и задачи работы

4

2.




Анализ диаграммы железо-углерод

5

3.




Порядок выполнения работы

11




3.1.

Определение марки сплава

11




3.2.

Построение кривой охлаждения

11




3.3.

Определение соотношения фаз при заданной температуре

12




3.4.

Анализ микроструктуры сплава в равновесном состоянии

13




3.5.

Область применения сплава

14







Литература

14


Введение

Несмотря на происходящие в настоящее время изменения технических и технологических принципов, лежащих в основе техники кинематографа, использование новой элементной базы систем пленочного и цифрового кинематографа, железоуглеродистые сплавы продолжают играть заметную роль при создании оптико-механических узлов киновидеоаппаратуры. С другой стороны, технологические установки и оснастка, станочное оборудование и инструмент, используемые при производстве деталей этой техники не могут обойтись без данного типа сплавов. Это обусловлено тем, что металлы и сплавы на их основе обладают широким спектром стабильных механических, химических и технологических свойств, принципиально отличающих их от других типов конструкционных материалов. Поэтому одним из важнейших разделов дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов», наряду с темами, посвященными оптическим, полимерным материалам, материалам электронной и микроэлектронной техники, являются разделы, в которых изучаются железоуглеродистые сплавы, их микроструктура и свойства, а также технологические методы изменения этих свойств в заданном направлении.

Для закрепления знаний по этим важным для практической деятельности темам и выполняется расчетно-графическая работа.
1. Цели и задачи работы

Целью работы является изучение влияния химического состава железоуглеродистого сплава и его микроструктуры на механические и технологические свойства.

Микроструктура сплава определяется процессами, происходящими при охлаждении сплава при его кристаллизации из расплава. Исследования этих процессов основаны на таких классических методах материаловедения, как термический анализ, позволяющий получать кривые охлаждения с построением на их основе диаграммы состояния данной системы сплавов и микроскопический анализ, дающий возможность изучить и получить точные количественные оценки его микроструктуры

Задачи расчетно-графической работы включают: освоение методики построения кривых охлаждения по диаграмме состояния, использование правила отрезков для определения процентного соотношения фаз при определенной температуре, анализ микроструктуры и соответствующих свойств данного сплава, области его применения. Все эти результаты могут быть получены на основе диаграммы состояния сплавов железо-цементит (Fe – Fe3C), называемой также диаграммой железо-углерод (Fe – C) (рис. 1.)




Рис. 1. Диаграмма состояния системы сплавов железо-углерод
2. Анализ диаграммы железо-углерод

Диаграмма состояния (Fe – C) отражает сложный фазовый состав железоуглеродистых сплавов, поскольку в этих сплавах превращения происходят не только в жидком, но и в твердом состоянии, вследствие явлений аллотропии, связанных с изменением кристаллической решетки.

Анализ диаграммы в настоящей работе проводится по упрощенной схеме, без учета превращений в области точки А. Ниже приводятся основные характеристики компонентов системы железо-углерод.

Ж е л е з о – металл переходной группы, серебристо-серого цвета, очень пластичный, с температурой плавления 1539º С. Чистое железо содержит железо до 0,01 %С.

Железо имеет несколько аллотропических модификаций. При нормальной температуре железо имеет объемо-центрированную кристаллическую решетку и обозначается Fe α . α – железо обладает сильно выраженными магнитными свойствами. При температуре 768º С (точка Кюри) железо теряет магнитные свойства. Кристаллическая решетка при этом не меняется – аллотропического превращения не происходит.

При температуре 911º С происходит аллотропическое превращение железа. Кубическая объемо-центрированная решетка переходит при этой температуре в кубическую гранецентрированную решетку. Такое железо обозначается Fe γ. γ – железо имеет высокую пластичность и вязкость, оно немагнитно.

У г л е р о д – неметаллический элемент с температурой плавления 3500º С. Углерод имеет три аллотропические модификации: алмаз, графит и уголь. В форме алмаза и угля в металлических сплавах углерод не присутствует. В форме графита в промышленных сплавах углерод встречается только в серых чугунах. Кристаллическая решетка графита – гексагональная. Чаще всего в железоуглеродистых сплавах углерод встречается в виде твердых растворов внедрения в α- и γ- железо, а также в виде химического соединения Fe3C – цементита.

Фазами сплава являются:

Ф е р р и т (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α – железо. Феррит имеет кубическую объемо-центрированную кристаллическую решетку. Максимальная растворимость углерода в α – железе равна 0,25% при температуре 727º С; минимальная при комнатной температуре – 0,01% С.

А у с т е н и т (А) – твердый раствор углерода и других примесей в γ- железе. Аустениту присуща кубическая гранецентрированная решетка. Растворимость углерода в аустените меняется в зависимости от температуры сплава. Так, при температуре 1147º С в аустените растворяется до 2,14% углерода, а при температуре 727º С – только до 0,8%.

Ц е м е н т и т (Ц) – карбид железа Fe3C, химическое соединение железа с углеродом, содержащее 6,6% углерода. Обладает сложной кристаллической решеткой.

Различают п е р в и ч н ы й ц е м е н т и т (Ц1) – который кристаллизуется из жидкой фазы у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерод более 4,3%; в т о р и ч н ы й ц е м е н т и т (Ц2), выделяющийся при вторичной кристаллизации из аустенита в интервале температур от 1147 до 727º С, и т р е т и ч н ы й ц е м е н т и т (Ц3), образующийся за счет переменной растворимости феррита в интервале температур ниже 727º С.

П е р л и т (П) – эвтектоидная механическая смесь, состоящая из двух фаз: феррита и цементита. Перлит образуется при распаде аустенита эвтектоидного состава (0,8%) при температуре 727º С. Содержание углерода в перлите для всех железоуглеродистых сплавов постоянно и равно 0,8%.

Л е д е б у р и т (Л) – эвтектическая смесь, образующаяся из жидкой фазы, содержащей 4,3% при температуре 1147º С. Ледебурит состоит из двух фаз – аустенита и цементита. При температуре 727º С вследствие аллотропических превращений (Feγ-Feα) происходит перекристаллизация ледебурита с образованием смеси, состоящей из зерен перлита и цементита.

Выше линии АСD (рис. 1) все сплавы находятся в жидком состоянии. Она называется линией – л и к в и д у с. Ниже линии AECF, называемой с о л и д у с, все сплавы системы полностью кристаллизуются и находятся в твердом состоянии.

Фазовые превращения на линиях по диаграмме железо-углерод.




Обозначение

линий


Фазовые превращения на линиях (при охлаждении)

Перечень фаз

Коли-чество фаз

AC

Начало выделения аустенита из жидкости

Аустенит + жидкость

2

AE

Конец выделения аустенита из жидкости

Аустенит + жидкость

2

EC

Конец выделения аустенита из жидкости и образование ледебурита

Аустенит + цементит + + жидкость

3

CD

Начало выделения цементита (первичного) из жидкости

Жидкость + цементит

2

CF

Конец выделения цементита из жидкости и образование ледебурита из жидкости

Жидкость + цементит +

+ аустенит



3

ECF

Образование ледебурита из жидкости

Жидкость + аустенит + цементит

3

GS

Начало выделения феррита из аустенита

Аустенит + феррит

2

GP

Конец выделения феррита из аустенита

Аустенит + феррит

2

PS

Конец выделения феррита из аустенита и образование перлита из

аустенита



Аустенит + феррит +

+ цементит



3

PSK

Образование перлита из

аустенита



Аустенит + феррит +

+ цементит



3

SE

Начало выделения цементита (вторичного)

Аустенит + цементит

2

SK

Конец выделения цементита (вторичного) из аустенита образование перлита из аустенита

Аустенит + цементит +

+ феррит


3

PQ

Начало выделения цементита (третичного) из феррита

Феррит + цементит

2

Горизонтальные линии ECF и PSK, соответственно называются линиями э в т е к т и ч е с к и х и э в т е к т о и д н ы х превращений.

При анализе диаграммы рассматриваются линии фазовых превращений, для этого по диаграмме строят кривые охлаждения.

Для определения количественного соотношения фаз при различных температурах сплава: определения процентного соотношения жидкой и твердой фазы или двух различных твердых фаз - используют правило отрезков (правило рычага). Например для сплава К1 (рис. 2), состоящего при температуре t0 из двух твердых фаз феррита и аустенита, построение начинают с проведения на уровне точки t0 на шкале температур горизонтали (коноды) до пересечения с линиями PG и SG, ограничивающими анализируемую область.

Проекция точки α на ось концентраций показывает содержание углерода в феррите, а проекция точки с – содержание углерода аустените при определенной температуре. Для определения количественного соотношения аустенита и феррита необходимо составить обратно пропорциональное отношение отрезков:



,

где QФ - количество феррита, а QА - количество аустенита при температуре t0 .



Рис. 2. Левая часть (область сталей) диаграммы железо-углерод, иллюстрирующая применение правила отрезков и приемы построения кривых охлаждения
Пусть, например, в точке в концентрация всего сплава составляет 100%, тогда , для определения доли феррита необходимо решить уравнение:

Значения отрезков вс и ав, необходимо взять из построенной диаграммы Fe-C в единицах длины. После определения доли ферритной фазы нахождение количества аустенита не вызывает затруднений.

По диаграмме железо-цемент можно построить кривые охлаждения и для правой части диаграммы (рис.3). Для этого точки пересечения вертикали, положение которой по оси абсцисс соответствует проценту углерода в сплаве, с линиями диаграммы переносят на систему координат температура-время и строят кривыю охлаждения сплава.


Рис. 3. Правая часть (область белых чугунов) диаграммы железо-углерод.
Точки пересечения с изогнутыми линиями диаграммы соответствуют перегибам на кривых охлаждения, а точки пересечения с горизонтальными линиями – площадкам на тех же кривых.

С учетом влияния углерода на свойства стали и требований, предъявляемых к тем или иным группам изготавливаемых деталей, стали делятся на следующие классы:

- стали о б щ е г о н а з н а ч е н и я (обыкновенного качества), содержащие 0,1 – 0,27% углерода;

- к о н с т р у к ц и о н н ы е качественные углеродистые стали, имеющие в своем составе до 0.75% углерода;

- и н с т р у м е н т а л ь н ы е стали, содержащие от 0,8 до 1,3% углерода;

По структуре стали обыкновенного качества и конструкционные в равновесном состоянии относятся к доэвтектоидным сталям, их структура состоит из феррита и перлита, количество которого увеличивается пропорционально увеличению содержания углерода в стали. Эти стали находят широкое применение при изготовлении деталей и узлов киновидеоаппаратуры.

Инструментальные стали содержат от 0,8 до 1,3% углерода и по внутреннему строению могут быть эвтектоидные и заэвтектоидные.

В маркировке углеродистых сталей обыкновенного качества – Ст.0, Ст.1, Ст.2….. , Ст.7, БСт. 0, БСт.1, БСт.2 ……, БСт.7 – цифры 1, 2, 3, …….. 7 указывают, что предел прочности - σв и предел текучести - σт с увеличением цифры растет, а относительное удлинение δ – падает.

Конструкционные качественные углеродистые стали изготавливаются следующих марок:

Сталь 08КП; Сталь 10; Сталь 15; … , Сталь 40; Сталь 45; … ,Сталь 75. В этих сталях цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

В углеродистых инструментальных сталях У8 … , У13 цифры показывают среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Белые чугуны крайне редко используются как конструкционный материал и в основном идут на переделку в сталь.

Схемы микроструктур рассмотренных групп сплавов приведены на рис.4 и рис.5.

а б в г
Рис. 4. Схемы микроструктур сталей: а – низкоуглеродистой обыкновенного качества; б – качественной среднеуглеродистой; в – эвтектоидной инструментальной; г – заэвтектоидной инструментальной




а б в
Рис. 5. Схемы микроструктур белых чугунов:

а – доэвтектического; б – эвтектического; в – заэвтектического


3. Порядок выполнения работы
Исходными данными для выполнения работы являются:

- процентное содержание углерода в сплаве;

- температура в двухфазной области, при которой определяется процентное соотношение фаз по правилу отрезков.

3.1 Определение марки сплава
Исходя из заданного процентного содержания углерода в сплаве, определить его марку, полный химический состав и механические свойства. Эти данные могут быть получены из справочной литературы [1,2] и занесены в табл.1 и табл.2
Таблица 1.

Химический состав сплава …… ГОСТ ….…




Химический

элемент


C

Mn

Si



%












Таблица 2.

Механические свойства сплава


Механи-

ческая


характе-ристика

Предел

прочности

σв, МПа


Предел

текучести

σт, МПа


Ударная

вязкость


KCU

кдж/ м2



Твердость

НВ,


МПа


Относительное

удлинение,

δ, %



























3.2. Построение кривой охлаждения
Для построения кривых охлаждения необходимо вычертить часть диаграммы, соответствующую заданной области сплава, область сталей или область белых чугунов, соблюдая масштаб по обеим осям. Для всех участков диаграммы указать структурные составляющие. Заданный сплав обозначить вертикальной линией, проходящей через все линии диаграммы из точки на оси абсцисс, соответствующей заданному процентному содержанию углерода. Точки пересечения перпендикуляра с линиями диаграммы обозначить цифрами 1,2,3, … , начиная сверху. Эти точки в дальнейшем будут служить для определения на оси ординат температур фазовых превращений, необходимых для построения кривой охлаждения сплава.

Результаты графических построений приводятся на рисунке, который представляется в альбомном формате и включает:

- изображение участка диаграммы;

- полученную путем параллельного переноса кривую охлаждения в координатах температура-время, причем, масштаб по оси времени может быть произвольным;

- для каждого участка кривой охлаждения указываются соответствующие фазы (например: жидкая фаза – L, аустенит – А, феррит – Ф, перлит – П, цементит – Ц, ледебурит – Л);

- изображения микроструктур, соответствующих состоянию сплава при определенной температуре или интервалу температур, приводятся справа от кривой охлаждения.

Пример построения приведен на рис. 6.


Рис. 6. Пример выполнения графической части задания для заэвтектоидной инструментальной стали У 12

3.3. Определение соотношения фаз при заданной температуре
Соотношение фаз определяется по правилу отрезков. Графическое построение предполагает:

- определение на оси ординат точки заданной температуры;

- проведение горизонтальной линии, называемой конодой, пересекающей линии диаграммы и перпендикуляр в точках a, b, c;

- соотношение фаз в двухфазной области (например, L+A, A+Ф, Ф+Ц) определяется отношением отрезков противоположных прилежащим областям диаграммы.

Например, для двухфазной области L+A для стали У12 (рис.6), объемное соотношение жидкой фазы и аустенита при t 0 = 14500 С равно:

;

QL ≈ 66%; QА ≈ 34%.

Длины отрезков определяются по рисунку в миллиметрах, в соответствии с масштабом выполненного рисунка.



3.4. Анализ микроструктуры сплава в равновесном состоянии

Микроструктура сплава в равновесном состоянии, получаемая в результате охлаждения сплава, приводится с указанием фазового состава. В тексте объясняется влияние фазовых составляющих на механические и технологические свойства сплава.

Поле рисунка размером 50 Х 50 мм – стандартное для изображения микроструктур такого рода (рис.7).

Рис. 7. Пример микроструктуры инструментальной стали У12

3.5 Область применения сплава
В разделе приводятся возможные области применения анализируемого сплава в приборостроении, а также варианты его использования при изготовлении деталей киновидеоаппаратуры. Сведения об этом можно найти в литера-

туре [3].


Литература

  1. Марочник сталей и сплавов // Зубченко А.С., Колосков М.М., Каширский Ю.В. и др. – М.: Машиностроение, 2003. – 784 с.

  2. Материалы для приборостроения // Галимов Э.Н., Малинов Г.Ю. и др. – М.: Колос, 2010. – 284 с.

  3. Конструкционные материалы киновидеоаппаратуры. Текст лекций. // Кулаков А.К. СПб.: 199

ВЫПИСКА


Из протокола №3 заседания совета ФМА от 11.11.10
ПРИСУТСТВОВАЛИ: Скороходов А.А., Тихомирова Г.В., Коновалов В.А., Башарин С.А., Нестерова Е.И., Гудинов К.К., Патрикеева Е.Ю.
СЛУШАЛИ: О рекомендации к изданию методических указаний по выполнению расчетно- графической работы по дисциплине Материаловедение и технология конструкционных материалов: «Изучение микроструктуры и свойств железо-углеродистых сплавов в равновесном состоянии» авторов Кулакова А.К., Нестеровой Е.И.
РЕШИЛИ: Рекомендовать к изданию методические указания по выполнению расчетно- графической работы по дисциплине Материаловедение и технология конструкционных материалов: «Изучение микроструктуры и свойств железо-углеродистых сплавов в равновесном состоянии» авторов Кулакова А.К., Нестеровой Е.И.(рецензент Т.А. Трубникова)

Председатель совета ФМА, профессор А.А. Скороходов


Секретарь совета ФМА Е.И.Нестерова

РЕЦЕНЗИЯ


на методические указания по выполнению расчетно- графической работы по дисциплине Материаловедение и технология конструкционных материалов: «Изучение микроструктуры и свойств железо-углеродистых сплавов в равновесном состоянии» авторов Кулакова А.К., Нестеровой Е.И.
Методические указания представлены на 14 страницах, включают 7 рисунков.

В работе приведены методические материалы для выполнения расчетно- графической работы по дисциплине Материаловедение и технология конструкционных материалов на тему «Изучение микроструктуры и свойств железо-углеродистых сплавов в равновесном состоянии»:

- необходимые теоретические сведения о микроструктурах и свойствах железоуглеродистых сплавов, которые могут быть получены при анализе диаграммы железо- углерод;

- практические рекомендации по проведению термического анализа на основе построения кривых охлаждения сплавов;

- практические рекомендации по использованию правила отрезков для определения соотношения фаз в сплавах при различных температурах.

Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения специальности 200101 «Приборостроение» при изучении дисциплин кафедры прецизионных технологий и сертификации киновидеотехники.


Рецензент,

Доцент кафедры киновидеоаппаратуры Т.А.Трубникова




скачать файл



Смотрите также:
Методические указания по выполнению расчетно-графической работы по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов»
185.93kb.
Рабочая программа дисциплины материаловедение. Технология конструкционных материалов. Форма обучения
166.84kb.
Методические указания к выполнению расчетно-графического задания по курсу «Дискретная математика» Расчетно графическое задание (ргз)
51.48kb.
Методические рекомендации по выполнению курсовой работы по дисциплине «Стратегический менеджмент»
275.3kb.
Методические указания по выполнению контрольных работ включают методические указания по выполнению контрольных работ, задания контрольной работы, вопросы для подготовки к экзамену, список рекомендуемой литературы
488.03kb.
Методические указания по выполнению расчетно графических работ по курсу "Электрические машины" для студентов специальности 2004 «Промышленная электроника»
1104.92kb.
Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Организация туризма»
423.19kb.
Методические указания для самостоятельной работы по учебной дисциплине
702.16kb.
Методические указания по выполнению и подготовке к защите дипломной работы бакалавра направления подготовки 030509 «Учет и аудит»
411.84kb.
Методические указания по выполнению контрольной работы Для студентов, обучающихся по направлению 080200. 62 «Менеджмент»
416.43kb.
Методические указания и варианты задания по расчётно-графической работе «Карта гидроизогипс» для студентов дневной формы обучения специальности
289.21kb.
Методические указания к выполнению контрольной работы Направление подготовки: 190700 «Технология транспортных процессов»
474.4kb.