Интернет журныл о промышленности в Украине

Материаловедение

Опубликовано: 14.07.2017

видео Материаловедение

D'school. Урок №3. Материаловедение. Начало.

ВНИМАНИЕ!

Здесь приводится очень сокращённый текст контрольной работы. Если данная информация вас заинтересовала, то вы можете по указанной ниже ссылке скачать бесплатно полную версию контрольной работы и методичку с заданиями для данной контрольной.


Задание 1

Опишите линейные несовершенства кристаллического строения. Как они влияют на свойства металлов и сплавов?

В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают следующие структурные несовершенства: точечные – малые во всех трех измерениях линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем поверхностные – малые в одном измерении Линейные дефекты :


Цехош С И Материаловедение урок 1 Металлы и их свойства

Основными линейными дефектами являются дислокации.

Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.

Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 1.2).

Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация . Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 1.3). На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.

Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая. Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают.

В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла.

Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла. Они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций. Либо выходить на поверхность кристалла.

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.

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала.

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рис. 1.4).

Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций.

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее сопротивление, изменяются оптические свойства, повышается электрическое сопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость.

Задание 2

В чем различие между упругой и пластической деформацией? Между хрупким и вязким разрушением?

Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.

Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений.

При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает.

Пластической или остаточной называется деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений.

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация.

Процесс деформации при достижении высоких напряжений завершается разрушением. Тела разрушаются по сечению не одновременно, а вследствие развития трещин. Разрушение включает три стадии: зарождение трещины, ее распространение через сечение, окончательное разрушение.

Различают хрупкое разрушение – отрыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений. Отрыв не сопровождается предварительной деформацией. Механизм зарождения трещины одинаков - благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием, что приводит к концентрации напряжений, достаточной для образования трещины. Когда напряжения достигают определенного значения, размер трещины становится критическим и дальнейший рост осуществляется произвольно.

Вязкое разрушение – путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация. Трещина тупая раскрывающаяся. Величина пластической зоны впереди трещины велика. Малая скорость распространения трещины. Энергоемкость значительная, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и на пластическую деформацию. Большая работа затрачивается на распространение трещины. Поверхность излома негладкая, рассеивает световые лучи, матовая (волокнистый) излом. Плоскость излома располагается под углом.

По излому можно определить характер разрушения.

Задание 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 0,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Процессы кристаллизации сплавов изучаются по диаграммам состояния. Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры. Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, т.е. состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии, и поэтому ее также называют диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.

Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа. В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки.

Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например, точки отвечающие началу кристаллизации называют точками ликвидус, а концу кристаллизации – точками солидус.

На рисунке представлена диаграмма состояния железо – карбид железа (цементит) и кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,5% углерода. Она отражает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита.

Линия АВСD – ликвидус системы. На участке ВС начинается кристаллизация аустенита. Состав жидкой фазы в интервале температур кристаллизации определяются линией ВС, а аустенита - линией JE. Кристаллизация аустенита протекает при изменении температуры. При переходе линии ликвидус сплав имеет двухфазное состояние и на кривой охлаждения при значении температуры в точке 1 отмечается перелом.

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. Аустенит достигает предельной концентрации, соответствующей точке 2 кривой охлаждения. Оставшаяся жидкость затвердевает и начинается процесс охлаждения в твердом состоянии.

По линии PSK идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного - растворимость углерода уменьшается, поэтому из аустенита начинает выделяться избыточный компонент в виде кристаллов цементита. Эвтектоидный распад аустенита протекает при постоянной температуре, так как при наличии трех фаз – аустенита (0,8%С), цементита (6,67%С) и феррита (0,02%С) система нонвариантна (С=0) С=2+1-3=0. На кривой охлаждения наблюдается площадка.

Сталь, содержащая 0,5% углерода, называется доэвтектоидной.

Задание 4

Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 50 HRC. Укажите, как этот режим называется, опишите сущность превращения и какая структура получается в данном случае.

Сталь У8 содержит 0,8% углерода, т.е. является эвтектоидной. Диаграмма изотермического превращения аустенита для этой стали приведена на рисунке.

Режим изотермической обработки, обеспечивающий получение твердости 50 HRC называется закалкой.

Закалкой называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критической точки, выдержке и последующем быстром охлаждении со скоростью не ниже критической.

Нагрев при закалке производится для перевода всей исходной структуры или определенной ее части в аустенит, который является исходной фазой для получения конечной структуры закаленной стали.

Выдержка необходима для выравнивания температуры по сечению детали и для полного установления необходимого фазового состояния.

Охлаждение при закалке должно производиться со скоростью не меньше критической для того, чтобы предотвратить протекание диффузионных процессов и переохладить весь исходный аустенит до температурного интервала мартенситного превращения.

Критическая скорость охлаждения (закалки) – это минимальная скорость охлаждения, при которой предотвращается диффузионный распад переохлажденного аустенита.

Температура закалки определяется исходя из массовой доли углерода в стали и соответствующего ей значения критической точки. Практически критические точки выбирают по справочникам или по диаграмме состояния "железо - цементит".

Продолжительность нагрева и выдержки определяется размерами и конфигурацией деталей и способом их укладки в печи. Она должна быть такой, чтобы прошло выравнивание концентрации углерода в аустените. Обычно общее время нагрева и изотермической выдержки составляет 1-1,5 мин на мм наибольшего поперечного сечения.

Углеродистые стали обладают большой критической скоростью охлаждения (закалки) и поэтому для них, как правило, в качестве охлаждающей среды выбирают воду при нормальной температуре.

Закалочное охлаждение эвтектоидной и доэвтектоидных сталей происходит из однофазной аустенитной области, поэтому структура этих сталей после закалки будет представлять мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита.

Задание 5

С помощью диаграммы состояния железо – цементит опишите структурные превращения, происходящие при нагреве стали У12. Укажите критические точки и выберите оптимальный режим нагрева этой стали под закалку. Охарактеризуйте процесс закалки, опишите получаемую структуру и свойства стали.

Структурные превращения, происходящие при нагреве стали У12

До температуры 7270С структура сплава состоит из цементита и перлита (см. рис. 3.1). Здесь начинается превращение перлита в аустенит. Этот процесс протекает в результате образования зародышей аустенита и последующего их роста.

На линии PSK (критическая температура Ас1) завершается процесс превращения перлита в аустенит. Вновь образовавшийся аустенит неоднороден даже в пределах одного зерна. Для получения однородного аустенита необходимо нагреть сталь выше температуры Ас1. Между точками Ас1 и Ас2 сплав имеет структуру аустенит + вторичный цементит. По мере приближения к точке Ас2 концентрация углерода в аустените увеличивается.

При температурах, соответствующих линии SE (т. Ас2), аустенит оказывается насыщенным углеродом, и при повышении температуры сплав имеет структуру только аустенита. До точки Ас3 в сплаве не происходит никаких изменений, просто увеличивается температура.

Температура закалки углеродистой инструментальной сталей У12 должна быть 760-7800 С, т.е. несколько выше Ас1, но ниже Ас2 для того, чтобы в результате закалки сталь получила мартенситную структуру и сохранила мелкое зерно и нерастворенные частицы вторичного цементита. Закалку проводят в воде или водных растворах солей. Мелкий инструмент из стали У12 для уменьшения деформаций охлаждают в горячих средах (ступенчатая закалка).

Отпуск проводят при 150-1700 С для сохранения высокой твёрдости (62-63 HRC).

Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, свёрла, спиральные пилы, шаберы, ножовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический инструмент и т.д.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12 и У13), у которых после термической обработки структура мартенсит и карбиды.

rss