Контрольная работа по "Материаловедению"

Вопрос1Как и почему изменяется плотность дислокаций при пластической деформации? Влияние дислокаций на свойства металла.

Упрочнение металла  в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением  числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных  атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движении отдельных новых дислокаций, а, следовательно, повышает сопротивление  деформации и уменьшает пластичность. Наибольше значение имеет увеличение плотности дислокаций, т. к. возникающие  при этом между ними взаимодействия тормозит дальнейшее их перемещение.

Дислокационная структура  материала характеризуется плотностью дислокаций.Плотность дислокаций в  кристалле определяется как среднее  число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м2, или  как суммарная длина линий  дислокаций в объеме 1 м3: (см-2; м-2)

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и  зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность  дислокаций составляет 105…107 м-2, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической  решеткой плотность дислокаций достигает 1015…10 16 м –2. 

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рисунок 1) 
 
 

Рисунок 1 – Влияние  плотности дислокаций на прочность 
 

  
 

Минимальная прочность  определяется критической плотностью дислокаций ρ = 105…107 м2.

Если плотность  меньше значения а, то сопротивление  деформированию резко возрастает, а  прочность приближается к теоретической. Повышение прочности достигается  созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности  дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы  кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм – «усы» с прочностью, близкой  к теоретической: для железа σВ = 13000 МПа, для меди σВ =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности  дислокаций, она не должна превышать  значений 1015…10 16 м –2. В противном  случае образуются трещины. 

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю  скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают  химическую стойкость, поэтому в  результате обработки поверхности  кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

Вопрос 4Общие сведения о неметаллических материалах

К неметаллическим  материалам относятся полимерные материалы  органические и неорганические: различные  виды пластических масс, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, а также  графит, стекло, керамика.

Такие их свойства, как  достаточная прочность, жесткость  и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти  материалы часто незаменимыми. Они  находят все большее применение в различных отраслях машиностроения.

Основой неметаллических  материалов являются полимеры, главным  образом синтетические.

Пластические массы 

Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих  веществ.

Состав и свойства пластмасс 

Обязательным компонентом  пластмассы является связующее вещество. В качестве связующих для большинства  пластмасс используют синтетические  смолы, реже применяют эфиры целлюлозы.

Другим важным компонентом  пластмасс является наполнитель (порошкообразные, волокнистые и другие вещества). Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании  и придают материалу те или  иные специфические свойства.

Свойства пластмасс  зависят от состава отдельных  компонентов, их сочетания и количественного  отношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.

Термопластичные пластмассы

В основе термопластичных  пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы.

Неполярные термопластичные  пластмассы.  К ним относятся  полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4.

Полиэтилен - продукт  полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся  полимерам.

Чем выше плотность  и кристалличность полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Он химически стоек и  при нормальной температуре нерастворим  ни в одном из известных растворителей. Недостаток его подверженность старению.

При меняют для изготовления труб, пленок, литых и прессованных несиловых деталей.

Полипропилен является производной этилена. Это жесткий  нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. Нестабильный полипропилен подвержен быстрому старению. Недостаток полипропилена его невысокая морозостойкость (от -10 до -20°С.

Полистирол - твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. Удобен для механической обработки, хорошо окрашивается, растворим в  бензине. Недостаток его невысокая  теплостойкость, склонность к старению и образованию трещин.

Из полистирола  изготавливают детали для радиотехники, телевидения и приборов, сосуды для  воды и многое другое.

Фторопласт-4 является аморфно-кристаллическим полимером. Разрушение материала происходит при  температуре выше 41 

Вопрос 3.Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали. Инструментальные углеродистые стали выпускают следующих марок: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13. Цифры  указывают на содержание углерода в  десятых долях процента. Буква  Г после цифры означает, что  сталь имеет повышенное содержание марганца. Марка инструментальной углеродистой стали высокого качества имеет букву  А, например У12А: инструментальная углеродистая сталь высокого качества, содержащая 1,2% С. 

Инструменты, применение которых связано с ударной  нагрузкой, например зубила, бородки, молотки, изготовляют из сталей У7А, У8А. Инструменты, требующие большей твердости, но не подвергающиеся ударам, например сверла, метчики, развертки, шаберы, напильники, — из сталей У12А, У13А. Стали У7—У9 подвергают полной, а стали У10-У13 неполной закалке. 

Недостатком углеродистых инструментальных сталей является их низкая теплостойкость — способность  сохранять большую твердость  при высоких температурных нагревах. При нагреве выше 200°С инструмент из углеродистой стали теряет твердость. 

Классификация стали

1. Нержавеющая сталь 

Прутки  и поковки из коррозионностойкой стали в закаленном состоянии предназначены  для изготовления деталей, работающих в агрессивных  средах.

  Применение закаленной  и коррозионностойкой  стали в машиностроении  позволяет снизить  энергоемкость и  трудоемкость при  производстве деталей.  В последнее время  наблюдается увеличение  использования низкоуглеродистых  коррозионностойких  сталей и сплавов  в химической, криогенной, пищевой и легкой  промышленности, обусловленной  их высокой стойкостью  в агрессивных  средах.

  Низкоуглеродистые  коррозионностойкие  марки стали применяются  для изготовления  сварного оборудования  и трубопроводов,  работающих в контакте  с азотной кислотой  и аммиачной селитрой, предназначена для  изготовления основных  узлов оборудования  для синтеза карбамида  и капролактама, работающих  в кипящей фосфорной  и 10% уксусной кислотах, сернокислых средах.

  Тросы из нержавеющей  стали используются  в тех ситуациях,  где не должна  иметь место коррозия, а также при  работе в условиях  высоких температур, например, в яхтенном  спорте, авиации,  химической и пищевой  отрасли.

  Несмотря на малую  относительную величину  объемов производства  нержавеющие стали  в ряде случаев  практически являются  отраслеобразующим  материалом. Например, развитие таких  отраслей как авиакосмическая,  нефтехимическая,  пищевая, медицинская  и бытовая впрямую  зависит от рынка  нержавеющего металлопроката.

  Нержавейка применяется  в сельхозмашиностроении,  вагоностроении, автомобилестроении, в авиакосмической,  нефтехимической,  медицинской, пищевой  промышленности (в  т.ч. винодельческой  промышленности для  перекачивания вин,  фруктовых соков,  виноматериалов), при  производстве инструмента  сложной конфигурации (например, ножей для обработки  кожи), в атомном  машиностроении, в  энергетическом машиностроении, в дизайне и  оформлении, в судостроении, на заводах капитального  ремонта транспорта, в производстве  бытовой техники.

  Коррозионностойкие  стали - это стали,  которые не окисляются  в агрессивной  среде (пар, кислота,  соль и др. химические  вещества).

Коррозионная  стойкость сталей объясняется образованием на поверхности металла  очень тонких пленок сложных окислов, которые плотно прилегают  к поверхности  металла и препятствуют проникновению агрессивных  веществ в глубину  металла. Такие пленки называют пассивными, а процесс их образования - пассивацией. 

  Коррозионностойкие  стали способны  к самопассивации. Нарушение пленки  пассивации на  них легко восстанавливается.  Все коррозионностойкие  стали подразделены  на две группы: хромистые и хромоникелевые.

  Хромистые стали  с низким содержанием  углерода (менее 0,1%) и с высоким  содержанием хрома  (более 15%) являются  ферритными и закалке  не поддаются.

  Остальные хромистые  стали подвергают  закалке с невысоким  отпуском для получения  антикоррозионных  свойств. Хромоникелевые  стали имеют структуру  аустенита . Эти  стали обладают  хорошей стойкостью  в различных кислотах.

  Основным недостатком  этих сталей является  склонность к межкристаллитной  коррозии. Устойчивость  против межкристаллитной  коррозии достигается  закалкой этих  сталей при температуре  900-10000С с охлаждением  в воде или на  воздухе. Чувствительность  стали к межкристаллитной  коррозии существенно  снижается при  введении в сталь  0,6 - 0,8 % титана.

  Снижению склонности  к межкристаллитной  коррозии способствует  уменьшение содержания  углерода в стали.  Для связывания  углерода в устойчивые  карбиды вводят  небольшие добавки  ниобия, однако при  вводе ниобия возможно  образование ферритной  фазы.Добавка кремния  делает аустенитные  стали более прочными  и упругими.

Нержавеющий металлопрокат находит  все большее применение в промышленности и строительстве, обеспечивая более  высокое качество, долговечность и  эстетику конечного  продукта.

2. Инструментальная  сталь

Инструментальные  стали - это группа марок сталей, которые  путём термообработки приобретают высокую  твёрдость, прочность  и износостойкость, которые необходимы для обработки  металла резаньем или давлением.

По  своему назначению инструментальные стали делятся  на:

  Стали для измерительного  инструмента, низколегированные  и углеродистые  стали; 

  Стали для режущего  инструмента (быстрорежущие)  ледебуритного класса, высокой теплостойкости;

  Штамповые стали  для холодной деформации, не теплостойкие  стали заэвтектоидного  и ледебуритного  класса;

  Штамповые стали  для горячей деформации, теплостойкие стали  - доэвтектоидные, эвтектоидные  и заэвтектоидные.

Сталь углеродистая инструментальная 

Принадлежность  стали к углеродистым обозначается буквой У, после которой  идет цифра - среднее  содержание углерода в десятых долях  процента. Эти стали  бывают качественные и высококачественные (с  буквой А в конце  марки).

  Углеродистые инструментальные  стали вследствие  отсутствия легирующих  элементов склонны  к перегреву, имеют  очень узкий интервал  термообработки: 740-780°С  для сталей У10-У12 и 730-750°С для  сталей У7, У8.

  Большое влияние  на результаты  термообработки оказывает  исходная структура  металла после  прокатки. Грубопластинчатую  структуру перлита  очень тяжело превратить  в зернистую без  промежуточной нормализации.

  Эти стали обладают  большой склонностью  к обезуглероживанию,  особенно стали  У7-У10, на сталях  с большим содержанием  углерода У12-У13 обезуглероживание  незначительное, однако  они склонны к  образованию цементитной  сетки.

  Основным недостатком  этих сталей является  низкая прокаливаемость  и склонность к  перегреву.