Контрольная работа по «Материаловедение и ТКМ»

 

Министерство образования и  науки РФ

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный  технический университет 

имени Гагарина Ю.А.»

 

Автомеханический  факультет

 

Кафедра «Физическое  материаловедение и технология новых  материалов»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

 

по дисциплине «Материаловедение и ТКМ»

 

Вариант № 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

             Выполнил:

      Студент группы ОПТз31

            Кравцов Дмитрий

                                      Шифр № 103255

          Проверил(а):

                                                                                                             Асс. Мишина Мария               

                                                                                                             Сергеевна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Саратов 2013

 

Задание:

 

1. Постройте с применением правила фаз кривую нагревания для железа.
2. Вычертите диаграмму состояния системы алюминий-кремний. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правил Курнакова.
3. Для каких практических целей применяется наклеп и почему?
4. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа. Укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращение и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 С (с применением правила фаз) для сплава содержащего 1.8 % С.
5. Используя диаграмму состояния железо – карбид железа и кривую изменения твердости в зависимости от температуры отпуска, назначьте для углеродистой стали 45 температуру закалки и температуру отпуска, необходимые для обеспечения твердости HB250.

 

 

1) Постройте с применением  правила фаз кривую нагревания  для железа.

 

На рисунке приведены  кривая нагрева Fe, на которой в виде площадок отмечены критические точки при нагревании: Ас₂, Ас₃, Ас₄. Железо при обычных температурах имеет ОЦК кристаллическую решетку его называют α-Fе. При нагреве до температуры 910°С Fе сохраняет решетку объемно-центрированного куба. Однако, начиная с температуры 770°С и выше, Fе становится не магнитным (парамагнетиком). Это Fе часто называют β-Fе. При температуре 910°С происходит перегруппировка атомов, и решетка становится ГЦК такое железо называют γ-Fе. При температуре 1400°С вновь происходит перегруппировки атомов Fе, и образуется решетка ОЦК. Это высокотемпературное α-Fе нередко называют δ-Fе. При температуре 1539 °С ± 5°С Fе плавится.

Температуру Кюри, равную 770°С обозначают точкой Ас₂. 

При переходе α-Fе в γ-Fе кристаллическая решетка перестраивается из ОЦК в ГЦК при этом происходит ее объемное сжатие. В ОЦК решетке атомы занимают объем 68%, а в ГЦК — 74%. Поэтому плотность Fе при переходе из α - в γ -модификацию возрастает с 7,68 Мг/м³ до 8,0—8,1 Мг/м³ при 20° С.

Правило фаз: С= К - Ф + 1

где К=2 — число компонентов системы, Ф - число фаз, находящихся в равновесии при заданной температуре, С - число степеней свободы, т.е. число независимых термодинамических параметров системы.

 

 

         Рис 1.  Кривая нагревания железа 
2) Вычертите диаграмму состояния системы алюминий-кремний. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правил Курнакова.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диаграмма состояния Al – Si диаграммам с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. ABC – линия ликвидус, выше которой все сплавы находятся в жидкой фазе. Ниже линии ADF – линии солидус – все сплавы находятся в твердом агрегатном состоянии. В интервале температур между линиями ликвидус и солидус существуют две фазы:

В области АВД – жидкая фаза и твердая в виде кристаллов твердого раствора α;

В области BCF – жидкая фаза и твердая в виде твердого раствора;

Линия DF – это эвтектическое превращение, оно заключается в том, что жидкая фаза с концентрацией Si 11,7% затвердевает при постоянной температуре 578° С, образую мелкодисперсную механическую смесь кристаллов твердых растворов α и Si:  

              

При температуре ниже 578° С этот жидкий раствор эвтектического состава  затвердевает, образую эвтектику.

В области КДВО в равновесии находятся  кристаллы твердого раствора α и  эвтектика.

В области BFLO в равновесии находятся кристаллы Si и эвтектика.

Линия ДК – линия вторичной  кристаллизации или линия насыщения. Физический смысл линии состоит  в том, что она показывает предел растворимости кремния в алюминии: с понижением температуры от 578° С до 0° С растворимость кремния снижается от 3,5% до 1%.

 

Согласно правилу Курнакова  в зависимости от типа диаграммы  состояния наблюдаются основные четыре закономерности изменения физико-механических свойств сплавов. В нашем случае при сплавлении А1 и 81 образуются твердый раствор исходных компонентов и их смеси, поэтому свойства сплавов изменяются по криволинейной зависимости. Следовательно, однородные твердые растворы характеризуются повышенными значениями твердости, прочности, электросопротивления, которые больше средней арифметической величины свойств чистых металлов. При этом высокие прочностные свойства обычно сочетаются с достаточно высокой пластичностью. Но эти сплавы обладают невысокими литейными свойствами (склонны к образованию трещин при затвердевании). Лучшими литейными свойствами обладают сплавы, близкие к эвтектическому составу.

 

3) Для каких практических  целей применяют наклеп и почему?

 

Повышение долговечности  деталей машин методом поверхностного упрочнения (наклепа) широко используется в промышленности для повышения сопротивляемости малоцикловой и многоцикловой усталости деталей машин.

Поверхностное упрочнение достигается:

Рис 4.  Виды наклепа

 

а) дробеструйной упрочняющей  обработкой;

б) чистовой обработкой – обкатываем шаром;

в) обработкой дорнованием;

г) центробежно-шариковой  чистовой обработкой; 

д) обработкой чеканкой;

е) упрочнение взрывом;

ж) упрочнение виброобкатыванием; 

з) алмазным выглаживанием.

 

При большой деформации в результате процессов скольжения зерна меняют свою форму. До деформации зерно имеет округлую форму , после деформации в результате смещения по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил, образуя волокнистую или слоистую структуру. Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит формирование субзерен и увеличение угла разориентировки между ними.

Текстура деформации. При большой степени деформации возникает преимущественная ориентация кристаллографических плоскостей и направлений в зернах. Закономерная ориентация кристаллитов относительно внешних деформационных сил получила название текстуры (текстура деформации).

Чем больше степень деформации, тем  большая часть кристаллических  зерен получает преимущественную ориентацию (текстуру). Характер текстуры зависит  от природы металла и вида деформации (прокатка, волочение и т. д.). Кристаллографическую текстуру не следует отождествлять с волокнистой структурой, волокнистость иногда может и не сопровождаться текстурой. Образование текстуры способствует появлению анизотропии механических и физических свойств.

Деформационное упрочнение поликристаллического металла. С увеличением степени холодной (ниже (0,15—0,2) Т_пл) деформации, свойства характеризующие сопротивление деформации (прочность, твердость и др.) повышаются, а способность к пластической деформации (пластичность) уменьшается. Это явление получило название наклепа.

Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение отдельных новых дислокаций И следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом между ними взаимодействие тормозит дальнейшее их перемещение.

Металлы с ГЦК решеткой упрочняются  сильнее, чем металлы с ОЦК  решеткой. В результате холодной деформации уменьшаются плотность, сопротивление  коррозии и повышается электросопротивление. Холодная деформация ферромагнитных металлов (например, железа) повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнитную проницаемость.

 

4) Вычертите диаграмму  состояния железо-карбид железа. Укажите структурные составляющие  во всех областях диаграммы, опишите превращение и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 С (с применением правила фаз) для сплава содержащего 1.8 % С.

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линиюAHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода вγ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии CD,начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР_4,3 Л[А_2,14+Ц_6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит + ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный) + ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавысостоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшениярастворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_0,8 П[Ф_0,03+Ц_6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит + цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали  при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит + перлит и заэвтектоидные – перлит + цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах  в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит).

Структура эвтектических  чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает  зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф,

где    С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 1,8 %С, называется заэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – Цементит (вторичный) + Перлит.

а)      б)

Рис 5. : а) диаграмма железо -цементит, б) кривая охлаждения для сплава, содержащего 1,8% углерода 
5) Используя диаграмму состояния железо - карбид железа и кривую изменении твердости в зависимости от температуры отпуска, назначьте для углеродистой стили 45 температуру закалки и температуру отпуска, необходимые для обеспечения твердости НВ250. Опишите превращения, которые совершились в стали в процессе закалки и отпуска, и полученную после обработки структуру.