Контрольная работа по дисциплине "Материаловедение" (17 вопросов)..

Вопрос 1
Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.
Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.
Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe).


; (высокотемпературное Р$я )
Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла.
Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких алмаз.
Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнятъ сплавы при помощи термической обработки.

Вопрос 2
Производство стали в мартеновских печах
В период до семидесятых годов являлся основным способом производства стали. Способ характеризуется сравнительно небольшой производительностью, возможностью использования вторичного металла-стального скрапа. Вместимость печи составляет 200-900 т. Способ позволяет получать качественную сталь.
Мартеновская печь (рис.2.2.) по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.
Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорною кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной 12, сверху сводом 11, а с боков передней 5 и задней 10 стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна 4 для подачи шихты и флюса, а в задней отверстие 9 для выпуска готовой стали.
Характеристикой рабочего пространства является площадь пода печи, которую подсчитывают на уровне порогов загрузочных окоп. С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи 2, которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. В качестве топлива используют природный газ, мазут. Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора 1.
Регенератор - камера, в которой размещена насадка - огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, предназначен для нагрева воздуха и газов.


Отходящие от печи газы имеют температуру 1500...1600 °С. Попадая в
регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 °С. Через один из регенераторов подают воздух, который, проходя через насадку нагревается до 1200 С и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образуется факел 7, направленный на шихту 6.
Отходящие газы проходят через противоположную головку (левую), очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли и направляются во второй регенератор. Охлажденные газы покидают печь через дымовую трубу 8.
После охлаждения насадки правого регенератора переключают клапаны, и поток газов в печи изменяет направление.
Температура факела пламени достигает 1800 С. Факел нагревает рабочее пространство печи и шихту. Факел способствует окислению примесей шихты при плавке.
Продолжительность плавки составляет 3...6 часов, для крупных печей - до 12 часов. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне пода. Отверстие плотно забивают малоспекающимися огнеупорными материалами, которые при выпуске плавки выбивают. Печи работают непрерывно, до остановки на капитальный ремонт - 400.. .600 плавок.
В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:
- скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25...45 % чушкового передельного чугуна, процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но много металлолома.
- скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55...75 %), скрапа и железной руды, процесс пименяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.
Футеровка печи может быть основной и кислой. Если в процессе плавки стали, в шлаке преобладают основные оксиды, то процесс называют основным мартеновским процессом, а если кислые - кислым.
Наибольшее количество стали производят скрап-рудным процессом в мартеновских печах с основной футеровкой.
В печь загружают железную руду и известняк, а после подогрева подают скрап. После разогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун. В период плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна: кремний, фосфор, марганец и, частично, углерод. Оксиды образуют шлак с высоким содержанием оксидов железа и марганца (железистый шлак). После этого проводят период «кипения» ванны: в печь загружают железную руду и продувают ванну подаваемым по трубам 3 кислородом. В это время отключают подачу в печь топлива и воздуха и удаляют шлак.
Для удаления серы наводят новый шлак, подавая на зеркало металла известь с добавлением боксита для уменьшения вязкости шлака. Содержание СаО в шлаке возрастает, a FeO уменьшается.
В период «кипения» углерод интенсивно окисляется, поэтому шихта должна содержать избыток углерода. На данном этапе металл доводится до заданного химического состава, из него удаляются газы и неметаллические включения.
Затем проводят раскисление металла в два этапа. Сначала раскисление идет путем окисления углерода металла, при одновременной подаче в ванну раскислителей - ферромарганца, ферросилиция, алюминия. Окончательное раскисление алюминием и ферросилицием осуществляется в ковше, при выпуске стали из печи. После отбора контрольных проб сталь выпускают в ковш.
В основных мартеновских печах выплавляют стали углеродистые конструкционные, низко- и среднелегированные (марганцовистые, хромистые), кроме высоколегированных сталей и сплавов, которые получают в плавильных электропечах.
В кислых мартеновских печах выплавляют качественные стали. Применяют шихту с низким содержанием серы и фосфора.
Стали содержат меньше водорода и кислорода, неметаллических включений. Следовательно, кислая сталь имеет более высокие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, ее используют для особо отвественных деталей: коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников.
Основными технико-экономическими показателями производства стали в мартеновских печах являются:
производительность печи - съем стали с 1м2 площади пода в сутки (Т/М в сутки), в среднем составляет 10 т/м2;
расход топлива на 1т выплавляемой стали, в среднем составляет 80 кг/т.
С укрупнением печей увеличивается их экономическая эффективность.

Производство стали в кислородных конвертерах.
Кислородно-конвертерный процесс - выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоохлаждаемую фурму. Первые опыты в 1933-1934 - Мозговой.
В промышленных масштабах - в 1952-1953 на заводах в Линце и Донавице (Австрия) - получил название ЛД-процесс. В настоящее время способ является основным в массовом производстве стали.
Кислородный конвертер - сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость конвертера - 130...350 т жидкого чугуна. В процессе работы конвертер может поворачиваться на 360 для загрузки скрапа, заливки чугуна, слива стали и шлака. Шихтовыми материалами кислородно-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит и плавиковый шпат для разжижения шлака.
Последовательность технологических операций при выплавке стали кислородных конвертерах представлена на рис. 2.3.

ДИСЦИПЛИНА: МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Выполните контрольную работу:

1. Что такое аллотропические превращения в металлах? Изобразите кривую охлаждения при аллотропических превращениях железа и дайте необходимые пояснения к ней.
2. Дайте сравнительную характеристику мартеновского и конвертерного способов получения стали. Укажите их преимущества и недостатки.
3. Вычертите диаграмму состояния системы, соответствующей заданию, укажите и охарактеризуйте фазы и структуры во всех областях диаграммы. Постройте кривую охлаждения для сплава указанной концентрации с применением правила фаз и опишите превращения, происходящие при охлаждении. Пользуясь правилом отрезков, определите состав и количественное соотношение фаз данного сплава для любой температуры, лежащей между линиями ликвидуса и солидуса.
Диаграмма СОСТОЯНИЯ системы: Pb-Sn
Концентрация компонента в сплаве: 30 % Sn
4. Вычертите диаграмму состояния Fe-Fе3С, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до О °С (с применением правила фаз) для сплава определенной концентрации. Для этого же сплава определите по правилу отрезков при заданной температуре: процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз.
Концентрация С в сплаве: 1,0 %
Температура: 750°С
5. Вычертите диаграмму изотермического превращения для стали У8. Нанесите на нее кривую режима непрерывного охлаждения, обеспечивающего получение твердости НВ 200...250. Опишите превращения, происходящие в стали при охлаждении, и какая структура при этом получается.
6. Какие структурные и фазовые превращения происходят при нагреве и охлаждении доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей в процессе их закалки? Что такое критическая скорость?
7. Что такое цианирование и нитроцементация? Чем отличаются эти виды обработки?
8. Для детали задана определенная марка стали. Укажите состав и определите, к какой группе по назначению относится данная сталь. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, поисходящие на всех этапах обработки данной стали. Опишите микроструктуру и свойства стали после термической или химико-термической обработки.
Наименование детали - Распределительный вал
Марка стали -20ХГНР
Твердость после термообработки - HRC 56...62 (пов.) НВ 360...420 (сердц.)
9. Назначьте марку латуни, коррозионно-устойчивой в морской воде. Расшифруйте ее состав и опишите структуру, используя диаграмму состояния медь-цинк. Укажите способ упрочнения латуни и основные свойства.
10. Способы переработки пластмасс в изделия в зависимости от вида наполнителя и природы связующего.
11. Сущность изготовления отливок в песчано-глинистые формы. Модельно-опочная оснастка и инструмент, применяемый для ручного изготовления форм. Технологические требования к конструкции литых деталей.
12. Опишите характер явлений, происходящих в металле при его нагреве. Как влияет температура нагрева на перегрев, угар и обезуглероживание стали.
13. Электрические схемы дуговой сварки на постоянном и переменном токе. Как происходит регулировка силы тока?
14. Особенность сварки титана и его сплавов.
15. Характерные отличия процесса пайки от сварки; технологический процесс пайки медных и алюминиевых сплавов.
16. 17.
1. Расшифруйте марки заданных материалов.
2. Оцените свариваемость материала.
3. Опишите процессы, происходящие в зоне шва и околошовной зоне.
4. Опишите особенности технологии и техники сварки данного материала.
5. Выберите и обоснуйте метод сварки.
6. Произведите расчет режимов, подготовку кромок шва, выберите оборудование для сварки с указанием основных характеристик.
7. Выберите и опишите методы контроля сварного соединения.

Способ сварки: Дуговая
Марка стали: 14Г2АФ
Вид соединения и положение шва в пространстве: Внахлестку, потолочный
Толщина свариваемой детали: 20мм

Способ сварки: Газовая
Марка стали: Серый чугун СЧ 1 5
Вид соединения и положение шва в пространстве: Внахлестку, нижний
Толщина свариваемой детали: 6мм

Литература
1. Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990
2. Материаловедение. Учебник для ВТУЗов / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др.; Под. общ. ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1986.
3. Б.А.Кузьмин и др. Тенология металлов и конструкционных материалов, М., Машиностроение, 1989г
4. Контроль качества сварных и паяных соединений. Учебное пособие. С.А. Федоров, МАТИ, М, 1989.
. Хренов К.К. Сварка, резка и пайка металлов. М., "Машиностроение", 1988г.