материаловедение

1Контрольная работа 1 вариант-1.Существенные характеристики кристаллической структуры 2. Энергетические условия процесса кристаллизации. Почему превращения происходят при строго определенных температурах 3. Какую роль играют несовершенства структуры кристаллов. Какую роль играют дислокации в вопросах прочности и пластичности материала. 4. Характеристика твердых растворов замещения. 2 Контрольная работа 2 вариант-1.Вычертите диаграмму состояния железо карбид железа, спишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 00 до 16000 с применением правила фаз для сплава, содержащего 0,3С. 2. Отжиг. Цель и назначение диффузионного, изотермического отжига. 3. Назовите режим термической обработки температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска фрез из стали У12. Опишите сущность проходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термообработки. 4. Опишите в каких отраслях промышленности особенно перспективно применение титана и сплава титана. 3 Список используемой литературы. ЗАДАНИЕ1 Для чего применяется отжиг после холодной пластической деформации Выбор режима отжига.

Отжигом называют операцию нагрева, выдержки при заданной температуре и охлаждения заготовок.

Основные цели отжига перекристаллизация и устранение внутренних напряжений или исправление структуры.

Пластическая деформация сопровождается накоплением дефектов в структуре материалов. Прежде всего, повышается плотность дислокаций. Кроме того, поля упругих напряжений, окружающие дислокации, заставляют дислокации не только скользить, но и переползать, что приводит к увеличению концентрации точечных дефектов. Поскольку кристаллическая решетка при пластической деформации искажается, возрастает энергия материала. Таким образом, после пластической деформации, материал становится термодинамически неравновесным.

Для снятия напряжений после холодной пластической деформации проводится рекристаллизационный отжиг. При рекристаллизационном отжиге из деформированных зерен вырастают новые кристаллы, ближе к равновесным, в результате твердость стали снижается, а пластичность и ударная вязкость увеличиваются. При повышении температуры начинается восстановление структуры материала. Это восстановление принято делить на три этапа возврат, полигонизацию и рекристаллизацию. Так, для технически чистых металлов температура начала рекристаллизации составляет 0,4 от температуры плавления по шкале Кельвина, температура полигонизации 0,2-0,3 Тпл, а возврат развивается уже при температурах меньших 0,2 Тпл. Температура нагрева связана с температурой плавления ТН 0,4 Тпл. Продолжительность зависит от габаритов изделия. Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным при ускоренном охлаждении вновь возникают внутренние напряжения.

Если исходная структура хорошая и нет необходимости в перекристаллизации, а требуется только снизить внутренние напряжения, то нагрев под отжиг ограничивают еще более низкими температурами, ниже критической точки.

Это будет низкий отжиг. ЗАДАНИЕ2 Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 С- 0С с применением правила фаз для сплава, содержащего 2,7С. Для заданного сплава определите процентное содержание углерода в фазах при температуре 950С Диаграмма состояния железо углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов сталей и чугунов.

Диаграмма железо углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение цементит. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму по частям.

Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего углерода. Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит. 1. Железо переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления 1539o С 5o С. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911o С и 1392o С. При температуре ниже 911o С существует с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 9111392o С устойчивым является с гранецентрированной кубической решеткой.

Выше 1392o С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется или высокотемпературное. Высокотемпературная модификация не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911oС превращения обозначают точкой, а температуру 1392o С превращения - точкой А4. При температуре ниже 768o С железо ферромагнитно, а выше парамагнитно.

Точка Кюри железа 768o С обозначается А2. Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью 80 НВ и прочностью предел прочности, предел текучести и высокими характеристиками пластичности относительное удлинение, а относительное сужение. Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна. Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы с металлами растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом растворы внедрения. 2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой температура плавления 3500 0С, плотность 2,5 гсм3 или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем температура плавления 5000 0С. В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения цементита Fe3C, а также в свободном состоянии в виде графита в серых чугунах. 3. Цементит Fe3C химическое соединение железа с углеродом карбид железа, содержит 6,67 углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена 1250, 1550o С. При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217o С. Цементит имеет высокую твердость более 800 НВ, легко царапает стекло, но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки. Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов азотом, кислородом атомы железа металлами марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов. Рассмотрим превращения Feб от низких температур до 768C, эта фаза имеет объемно-центрированную кубическую решетку о.ц.к, низкую прочность и тврдость 80 HB, низкий предел текучести, удельный вес 7,8 гсм3, имеет магнитные свойства ферромагнетик, растворяет углерод 0,006 при 20C и 0,02 при 727C. Тврдый раствор углерода в Feб называется феррит.

Свойства феррита близки к свойствам чистого Fe. Feв о.ц.к существует от 768C до 910C, растворяет углерод в небольших количествах, немагнитен, при 768C теряет магнетизм, 768C точка Кюри, парамагнетик. В 910-1400C существует Feг, с гранецентрированной кубической решеткой г.ц.к это железо немагнитно, растворяет 2,14 C при 1147C. Раствор углерода в Feг называется. аустенит, немагнитен, тврже феррита, достаточно пластичен.

Feд существует в 1400-1539C. 1539C плавление Fe. Переход FeбFeг происходит с изменением объма 1 у б больше V. Fe3C - 6,7 C, тврдость 800 HB, Fe3C цементит, при низких температурах магнитен. Fe3CFe Графит. При 1147C идт реакция, в результате которой образуется эвтектика смесь аустенита и цементита ледебурит.

АЦ - 4,3 C. Ферритцементит Перлит. ФЦ 0,8 C, тврдость HB 800. Ла АЦ, Лп ПЦ, АП. Из жидкости выделяется ЦI, из А - ЦII, из Ф - ЦIII. До 2,14 C стали, после чугуны. Сначала жидкость переходит в аустенит, потом происходит переход жидкости в ледебурит аустенитовый эвтектическая реакция, аустенит переходит в перлит эвтектоидная реакция, аустенит переходит в феррит. твердом, жидком и газообразном, переходы между которыми так называемые фазовые переходы сопровождаются скачкообразными изменениями свободной энергии энтропии, плотности и других физических свойств.

Четвертым агрегатным состоянием часто называют плазму сильно ионизированный газ т. е. газ заряженных частиц ионов, электронов, образующийся при высоких температурах свыше 105 К. Однако это утверждение неточно, так как между плазмой и газом нет фазового перехода. Тем не менее, плазма резко отличается от газа прежде всего сильным электрическим взаимодействием ионов и электронов, проявляющимся на больших расстояниях Реализация того или иного агрегатного состояния вещества зависит главным образом от температуры и давления, при которых оно находится В газах межмолекулярные расстояния большие, молекулы практически не взаимодействуют друг с другом и, свободно двигаясь, заполняют весь возможный объем.

Таким образом, для газа характерно отсутствие собственного объема и формы. Жидкости и твердые тела относят к конденсированному состоянию вещества. В отличие от газообразного состояния у вещества в конденсированном состоянии атомы расположены ближе друг к другу, что приводит к их более сильному взаимодействию и, как следствие этого, жидкости и твердые тела имеют постоянный собственный объем.

Для теплового движения атомов в жидкости характерны малые колебания атомов вокруг равновесных положений и частые перескоки из одного равновесного положения в другое. Это приводит к наличию в жидкости только так называемого ближнего соседних атомов на расстояниях, сравнимых с межатомными.

Для жидкости в отличие от твердого тела характерно такое свойство, как текучесть. Атомы в твердом теле, для которого в отличие от жидкого тела характерна стабильная, постоянная собственная форма, совершают только малые колебания около своих равновесных положений. Это приводит к правильному чередованию атомов на одинаковых расстояниях для сколь угодно далеко удаленных атомов, т. е существования так называемого дальнего порядка в расположении атомов. Такое правильное, регулярное расположение атомов в твердом теле, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях образует кристаллическую решетку, а тела, имеющие кристаллическую решетку, называют твердыми телами.

Кроме того, существуют аморфные тела стекло, воск и т. д В аморфных телах атомы совершают малые колебания вокруг хаотически расположенных равновесных положений, т. е. не образуют кристаллическую решетку. Аморфное тело находится с термодинамической точки зрения в неустойчивом так называемом метастабильном состоянии и его следует рассматривать как сильно загустевшую жидкость, которая с течением времени должна закристаллизоваться, т. е. атомы в твердом теле должны образовать кристаллическую решетку и превратиться в истинно твердое тело. Аморфное состояние образуется при быстром- 106 О Сс и более охлаждении расплава.

Например, при охлаждении ряда сплавов из жидкого состояния образуются так называемые металлические стекла, обладающие специфическими физико-механическими свойствами.

Атомы в кристаллическом твердом теле располагаются в пространстве закономерно, периодически повторяясь в трех измерениях через строго определенные расстояния, т. е. образуют кристаллическую решетку. Кристаллическую решетку можно построить, выбрав для этого определенный строи тельный блок аналогично постройке стены из кирпичей и многократно смещая этот блок по трем, непараллельным направлениям. Такая строительная единица кристаллической решетки имеет форму параллелепипеда и называется элементарной ячейкой.

Все элементарные ячейки, составляющие кристаллическую решетку, имеют одинаковую форму и объемы. Атомы могут располагаться как в вершинах элементарной ячейки, так и в других ее точках в узлах кристаллической решетки. В первом случае элементарные ячейки называются простыми примитивными, во втором сложными. Если форма элементарной ячейки определена и известно расположение всех атомов внутри нее, то имеется полное геометрическое описание кристалла, т. е. известна его атомно-кристаллическая структура. 1.2.

Энергетические условия процесса кристаллизации. Почему превращения происходят при строго определенных температурах

При переходе из жидкого состояния в твердое образуется кристаллическая... Тяжелый шарик из положения 1 рис. Энергетическое состояние системы, имеющей огромное число охваченных те... после полного перехода в твердое состояние, температура снова начинает... У некоторых металлов из-за большого переохлаждения скрытая теплота пла...

Какую роль играют несовершенства структуры кристаллов. Какую роль играют дислокации в вопросах прочности и пластичности материала

е. Кроме того, известные методы легирования т. д. Опыт показывает. 1.4.

Характеристика твердых растворов замещения

жидкие растворы. 4, а. Атомы растворенного вещества искажают и изменяют средние размеры элеме... При неограниченной растворимости любое количество атомов А может быть ... И.

Контрольная работа

Контрольная работа 2 1.1 Вычертите диаграмму состояния железо карбид железа, спишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 00 до 16000 с применением правила фаз для сплава, содержащего 0,3С. 2.2. Отжиг. Цель и назначение диффузионного, изотермического отжига. Отжиг термическая обработка, при которой сталь нагревается выше Ас3или только выше Ас1 неполный отжиг с последующим, медленным охлаждением.

Нагрев выше Ас3 обеспечивает полную перекристаллизацию стали. Медленное охлаждение при отжиге Обязательно должно привести к распаду аустенита и превращению его в перлитные структуры. Нормализация есть разновидность отжига, при нормализации охлаждение проводят на спокойном воздухе, что создает несколько более быстрое охлаждение, чем при обычном отжиге. И в случае нормализации превращение должно произойти в верхнем районе температур с образованием перлита, но при несколько большем переохлаждении, что определяет некоторое различие свойств отожженной и нормализованной стали.

Отжиг и нормализация обычно являются первоначальными операциями термической обработки, цель которых либо устранить Некоторые дефекты предыдущих операций горячей обработки литья, ковки и т. д либо подготовить структуру к последующим технологическим операциям например, обработке резанием, закалке. Однако довольно часто отжиг, и особенно нормализация, являются окончательной термической обработкой.

Это бывает тогда, когда после отжига или нормализации получаются удовлетворительные с точки зрения эксплуатации детали свойства и не требуется их 1ьнейшее улучшение с помощью закалки и отпуска. Обе эти задачи выполняются обычным полным отжигом, заключающимся в нагреве стали выше верхней критической точки с последующим медленным охлаждением. Феррито-перлитная структура переходит при нагреве в аустенитную, а затем при охлаждении аустенит превращается обратно в феррит и перлит, т. е. Происходит полная перекристаллизация.

Структура, состоящая из крупных зерен перлита и феррита, какая часто бывает после литья или ковки, после такого отжига превращается в структуру из мелких зерен феррита и перлита. Если нет необходимости изменить расположение ферритной составляющей, если исходная структура не очень крупнозерниста, и не имеет характера видманштеттовой структуры, то достаточно провести более низкий нагрев выше Ас1, но ниже Ас3. При этом произойдет лишь перекристаллизация перлитной составляющей, но не ферритной.

Это будет так называемый неполный отжиг. Неполный отжиг более экономичная операция, чем полный, так как нагрев в этом случае осуществляется до более низких температур. Если исходная структура хорошая и нет необходимости в перекристаллизации, а требуется только снизить внутренние напряжения, то нагрев под отжиг ограничивают еще более низкими температурами, ниже критической точки. Это будет низкий отжиг.

Очевидно, что эта операция относится к первой группе видов термической обработки отжиг I рода, тогда как полный и неполный отжиг относится во второй группе отжиг II рода, или фазовая перекристаллизация. Если исходное состояние имеет структуры закалки бейнит, мартенсит то такую операцию правельнее называют высоким смягчающим отпуском. Литая сталь обычно характеризуется неоднородностью состава, дендритной и зональной ликвацией. Нагрев до высоких температур и выдержка при них приводят к устранению или смягчению дендритной неоднородности. Такая операция называется гомогенизацией, или диффузионным отжигом.

В результате высокого нагрева обычно до 1000 1100С и длительной выдержки наблюдается сильный рост зерна, и поэтому после такой обработки структура получается крупнозернистой и требуется дополнительная операция термической обработки для исправления структуры обычный отжиг. Если диффузионный отжиг был применен к слиткам, которые будут подвергаться пластической деформации прокатке, ковке, то необходимость в последующем отжиге отпадает, так как крупнозернистая структура исправится пластической деформацией.

Неполный отжиг заэвтектоидных сталей называют также сфероидизацией, так как это основной способ получения зернистого перлита. Выше было отмечено, что для получения зернистого перлита нагрев должен не на много превосходить критическую точку Ас1, в противном случае получается пластинчатый перлит. Структурой зернистого перлита должны обладать инструментальные стали, так как это обеспечивает хорошую обрабатываемость режущим инструментом и малую склонность к перегреву при закалке.

При отжиге скорость охлаждения должна быть такова, чтобы успели произойти превращения аустенита при малой степени переохлаждения. Практически скорость охлаждения не должна быть больше 50 100 Сч, что достигается охлаждением в печи. В заводской практике с целью экономии времени чаще проводят так называемый изотермический отжиг. Для этого сталь, нагретая выше верхней или только нижней критической точки, охлаждается быстро точнее с любой скоростью до температуры, лежащей на 50 100 С ниже равновесной точки А1 и при этой температуре выдерживается столько, сколько необходимо для полного распада аустенита.

Поскольку температуру контролировать легче, чем скорость охлаждения, такой отжиг дает более стабильные результаты. В настоящее время изотермический отжиг применяют чаще, чем отжиг с непрерывным охлаждением, особенно для легированных сталей, так как это сокращает продолжительность операции. 2.3. Назовите режим термической обработки температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска фрез из стали У12. Опишите сущность проходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термообработки.

Сталь У12 содержание С 1,15-1,24 Mn 0.15-0.35 Cr - 0,15 Фреза из стали указанной группы должны закаливаться в воде, с температуры 7900 С, с последующим низким отпуском 180-2000 С. Твердость рабочей части 60-62 HRC. Инструмент из этих сталей имеет, как правило, незакаленную сердцевину.

Сущность происходящих процессов такова происходит неполная закалка, при которой нагрев производят до температуры, лежащей выше линии А1, но ниже А3 и в структуре стали сохраняется заэвтектоидный цементит, структура мартенситцементит. Внутренние напряжения создают значительную хрупкость поэтому после закалки производится обязательный отпуск. 2.4.

Опишите в каких отраслях промышленности особенно перспективно применение титана и сплава титана

В настоящее время титан широко используется в ракетно-космической и ав... Некоторые пищевые продукты могут портиться от контакта со сталью, тогд... По своей биологической инертности превосходит все известные коррозионн... М. 360 с.