Контрольная работа по «Материаловедение и ТКМ»

Вариант 2

 

1. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решетки бериллия (параметры, координационное число, плотность упаковки).

 

Кристаллическая решетка Бериллия гексагональная плотноупакованная с периодами а=2,285Å и с = 3,5840Å. Отношение c/a   1,567. Бериллий легче алюминия, его плотность 1847,7 кг/м3

Бериллий обладает наиболее высокой из всех металлов теплоемкостью, 1,80 кДж/(кг·К) или 0,43 ккал/(кг·°С), высокой теплопроводностью, 178 Вт/(м·К) или 0,45 кал/(см·сек·°С) при 50°С, низким электросопротивлением, 3,6-4,5 мком·см при 20°С; коэффициент линейного расширения 10,3-131 (25-100°С). Эти свойства зависят от качества и структуры металла и заметно меняются с температурой.

Ве может существовать в двух полиморфных модификациях. Низкотемпературная модификация (α-Ве), существующая до 1250 °С, имеет гексагональную плотноупакованную решетку (с периодами a=0,2285 нм и c=0,35840 нм; c/a= 1,567), высокотемпературная (β-Ве) – решетку объемно-центрированного куба (при 1254 °С период решетки равен 0,25515 нм, а при 1280 °С- 0,25543 нм).

У Ве, в отличие от других элементов 2 группы, нет соединений с преимущественно ионными связями, в то же время для него известны многочисленные координационные соединения, а также металлоорганические соединения, в которых часто образуются многоцентровые связи.

Вследствие малого размера атома Ве почти всегда проявляет координационное число 4.

Плотность кристаллической решетки, т. е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности.

 Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки. Для гексагональной плотноупакованной решетки QГП = 74 % (атомы занимают 74% общего объема кристалла).

 

 

 

 

2. Вычертите диаграмму состояния  системы алюминий - германий. Опишите взаимодействия 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 Αl—Ge является диаграммой эвтектического типа. Промежуточные фазы не образуются. Характеризуется эвтектическим превращением при температуре 424 °С с эвтектической точкой при содержании 30,3 %  Ge. Температура эвтектики определена равной 415,5 °С. Эвтектика кристаллизуется при содержании 28,4 % Ge. Максимальная растворимость Ge в  Аl равна - 2,8 %. С понижением температуры растворимость Ge в А1 уменьшается. При температурах 395, 294 и 177 °С она составляет 1,97, 0,55 и 0,2 % Ge, соответственно.

Солидус системы А1—Ge в области, богатой Ge, имеет ретроградный характер. Растворимость А1 в Ge при температуре 925, 900, 675, 500, 300 °С составляет 0,17; 0,43; 0,97; 0,92; 0,63 %. Максимальная растворимость А1 в Ge при эвтектической температуре составляет 1,2 %; ретроградный характер измерения растворимости не обнаружен. Химические соединения отсутствуют.

Линии диаграммы: Аe – линия температур начала кристаллизации (конца плавления) сплавов, или линия ликвидуса α- твердого раствора (твердого раствора Al в Ge).  Выше этой линии сплав находится в состоянии однородного жидкого раствора, в котором атомы Al равномерно перемешаны с атомами Ge.

Аa – линия температур конца кристаллизации (начала плавления), или линия солидуса α- твердого раствора. Ниже этой линии сплав находится в твердом состоянии.

Be – линия ликвидуса, начала кристаллизации (конца плавления) сплавов.

Между линиями ликвидуса и солидуса находится двухфазная область (Ж+α  и Ж+Ge) – насыщенный жидкий и твердые растворы, составы которых изменяются по линии ликвидус (жидкой фазы) и солидус (твердой фазы).

 

В соответствии с правилами Курнакова закономерность изменения свойств в зависимости от концентрации определяется типом взаимодействия компонентов системы или типом диаграммы.

В нашем случае свойства сплава при концентрациях, отвечающих однофазовому твердому раствору изменяются по криволинейной зависимости, а в двухфазовой области - по прямой. Крайние точки на прямой являются свойствами предельно насыщенных твердых растворов.

 

 

 

 

3. Объясните, почему пластическую деформацию олова при комнатной температуре называют горячей деформацией, а вольфрама при температуре 1000 0С называют холодной пластической деформацией?

 

Пластическая деформация протекает путем смещения (сдвигов) тонких слоев металла (пачек) в кристалле относительно друг друга по плоскостям скольжения под влиянием механических усилий.

Холодной обработкой металлов давлением называют обработку, которую ведут при температуре ниже температуры рекристаллизации. При такой обработке металл наклёпывается.

Горячей обработкой металлов давлением называют обработку, которую ведут при температуре выше температуры рекристаллизации. При такой обработке пластически деформированный металл рекристаллизуется в процессе обработки давлением.

Для каждого металла и сплава существует своя температурная область холодной и горячей обработки давлением.

Для олова пластическое деформирование при комнатной температуре является по существу горячей обработкой, так как температура 20° С выше температуры рекристаллизации этого металла (температура начала рекристаллизации олова: Тн.р.=(232+273)0,4-273=-71°С). В практике олово называют ненаклепываемым, хотя при деформировании у него образуются линии сдвига (что показывает, например, характерный хруст оловянной пластинки при ее изгибании).

Вольфрам среди тугоплавких металлов имеет самые высокие значения температуры плавления(3420°С), модуля упругости и коэффициента теплопроводности. Горячую обработку вольфрама и его сплавов проводят при 1200-2000 °С, т.к. температура рекристаллизации от 1100 °С до 1400 °С.

Поэтому при температуре 1000 0С деформация вольфрама будет холодной пластической деформацией.

 

 

4. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа. Укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 16000С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,6% С. Для заданного сплава при температуре 13500С определите: процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз.

 

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (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 в γ-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. 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 сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает  температуры  начала   выдел пня   цементита    из  аустенита   вследствие   уменьшения растворимости 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.

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.

По структуре стали различаются на доэвтектоидные (от 0,02%-0,8% С), эвтектоидные (0,8%С) и заэвтектоидные (0,8% - 2,14%С). Чугуны по структуре различаются на доэвтектические (от 2,14%-4,3%С), эвтектические (4,3%С) и зазвтектические (4,3% - 6,67%С).

Сплав, содержащий 1,6% С, является заэвтектоидной сталью.

Сплавы, содержащие 1.6% С, кристаллизуются в интервале температур, ограниченном линиями ВС и JЕ. Ниже липни ВС сплавы состоят из жидкой фазы и аустенита. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус, а аустенита — по линии солидус. После затвердевания (ниже линии солидус JЕ) сплавы получают однофазную структуру - аустенит.

При температуре, определяемой линией SE предельной растворимости углерода в аустените в сплаве начинается выделение из аустенита вторичного цементита, сплав становится двухфазным (аустенит + вторичный цементит). По мере выделения цементита концентрация углерода в аустените сплава уменьшается согласно линии SE.

При температуре 727 ºC аустенит, содержащий 0,8 % C (точка S), превращается в перлит.

После охлаждения сплав будет состоять из перлита и вторичного цементита, который выделяется в виде сетки по границам бывшего зерна аустенита или в виде игл, ориентированных определённым образом.

 

 

Определим для заданного сплава при температуре 1350 ºС состав фаз. Для определения состава фаз, лежащего между линиями ликвидус и солидус, нужно провести через данный температурных уровень линию, параллельную оси концентрации до пересечения с линиями ликвидус и солидус.

Тогда проекция точки пересечения этой линии с ликвидусом (точка f) на ось концентрации укажет количество углерода в жидкой фазе (т.е. 2,6% С), точка пересечения с линией солидус (k)- в составе твердой фазы (0,9% С).

Для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводим также горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз.

Если массу сплава считать равной единице (или 100%) и изображать отрезком kmf, то масса кристаллов в точке m у данного сплава равна (в %) отношению

Количество жидкости при данной температуре и содержании углерода 4,1% равно

.

Отношение количества твердой и жидкой фаз определяется соотношением

.

 

5. Сталь 40 подвергалась закалке от температур 760 и 8400С. Опишите превращения, происходящие при данных режимах закалки. Укажите, какие образуются структуры и объясните причины получения разных структур. Какой режим закалки следует рекомендовать?

 

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Температура точки Ас3 для стали 40 составляет 790°С.

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше Ас1, но ниже Ас3, то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 760°С (ниже точки Ас3) структура стали 40 – аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали – мартенсит + феррит.