Контрольная работа по "Материаловедение"

1. Как влияет степень чистоты  металла и наличие  примесей в сплаве на протекание процесса кристаллизации?

   Самопроизвольное зарождение кристаллов в металле очень затруднительно. Обычно источником образования зародышей являются твердые частицы, которые всегда присутствуют в жидком металле. Атомы жидкого металла послойно адсорбируются на поверхности частиц примесей. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче получается зерно.

   Использование примесей для получения мелкого зерна называется модифицированием. При модифицировании в расплавленный металл вводят небольшое количество специальных веществ (модификаторов), которые, практически не изменяя состав металла, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и улучшение механических свойств.

    Модифицирование – использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в итоге улучшение механических свойств. Так, например, при модифицировании магниевых сплавов зерно уменьшается с 0,2-0,3 до 0,01-0,02 мм. При литье слитков в фасонных отливках модифицирование чаще проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды, оксиды), кристаллизирующиеся в первую очередь. Выделяясь в виде мельчайших частиц, эти соединения служат зародышами образующихся при затвердевании кристаллов (модификаторы I рода). В качестве модификаторов при модифицировании алюминиевых сплавов применяют Ti, V, Zr; стали – Al, V, Ti. Иногда используют растворимые в жидком металле модификаторы (модификаторы II рода), избирательно адсорбирующиеся на кристаллическом зародыше, которые снижают межфазовое поверхностное натяжение и затрудняют рост кристаллитов. Для алюминиевых сплавов в качестве модификаторов второго рода используют Li, Na, K, для стали – редкоземельные элементы.

   Для измельчения структуры эвтектики и устранения избыточных кристаллов кремния силумины модифицируют натрием (0,05-0,08%) путем присадки к расплаву смеси солей 67% NaF и 33% NaCl. В присутствии натрия происходит смещение линий диаграммы состояния и заэвтектический (эвтектический) сплав АЛ2 (11-13% Si) становится доэвтектическим. В этом случае в структуре сплава вместо избыточного кремния появляются кристаллы α-твердого раствора. В процессе затвердевания кристаллы кремния обволакиваются пленкой силицида натрия Na₂Si, которая затрудняет их рост. Такие изменения структуры улучшают механические свойства.

 

2. Как 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 (рисунок1)

    

    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 σ_В = 13000 МПа, для меди σ_В =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 10¹⁵…10¹⁶ 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.

3. Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 4,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

   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 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. 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 сплавы состоят из феррита и аустенита.

   Линия  ЕS показывает температуры начала выделения 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. 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.

 

 

а)                                                                       б)

Рисунок 2: а – диаграмма железо-цементит,

б –  кривая охлаждения для сплава, содержащего 4,5% углерода 
 

 

4. Вычертите диаграмму изотермического  превращения аустенита для эвтектоидной стали и нанесите на нее кривую режима изотермического отжига. Опишите превращения и получаемую после такой обработки структуру, ее свойства.

   При изотермическом отжиге эвтектоидную сталь У8 нагревают до температуры на 30-50°С выше точки А_с1 (А_с1 = 730°С) и после выдержки охлаждают до температуры 650-680°С.

   В результате изотермического  отжига стали У8 получаем твердость НВ = 150 (рисунок 3). Структура после отжига – крупнопластинчатый перлит.

Рисунок 3 – Диаграмма изотермического превращения

аустенита стали У8  

   Перлитное превращение переохлажденного  аустенита протекает при температурах A_r1 = 500ºC. В процессе превращения происходит полиморфное  -превращение и диффузионное перераспределение углерода в аустените, что приводит к образованию ферритно-цементитнойструктуры:

А Ф + Fe₃C = Перлит.

   Аустенит, практически однородный  по концентрации углерода, распадается  с образованием феррита и цементита,  содержащего 6,67%С, т.е. состоит  из двух фаз, имеющих различную  концентрацию углерода. Ведущей,  в первую очередь возникающей  фазой при этом является карбид (цементит). Его зародыши, как правило,  образуются на границах зерен  аустенита.

   В результате роста частиц  этого карбида прилегающий к  нему объем аустенита обедняется  углеродом, снижает свою устойчивость  и испытывает полиморфное  -превращение. При этом кристаллики феррита зарождаются на границе с цементитом, который облегчает этот процесс.

   Последующий рост ферритных пластинок  ведет к обогащению окружающего  аустенита углеродом, что затрудняет  дальнейшее развитие  -превращения. В обогащенном таким образом углеродом аустените зарождаются новые и растут ранее возникшие пластинки цементита. Вследствие этих процессов образования и роста частиц карбидов вновь создаются условия для возникновения новых и роста имеющихся кристалликов (пластинок) феррита. В результате происходит колониальный (совместный) рост кристалликов феррита и цементита, образующих перлитную колонию