Контрольная работа - Материаловедение
Подождите немного. Документ загружается.
Вопрос №9
Что такое неограниченные твердые растворы (твердые растворы замещения)?
Приведите диаграмму состояния сплавов, образующих такие растворы. В чем
заключается принцип построения диаграммы состояния?
Ответ. Твердый раствор – форма взаимодействия между веществами,
входящими в состав сплава. В твердом растворе атомы в пространстве
расположены закономерно, образуя кристаллическую решетку. В твердом
растворе одно из входящих в состав веществ сохраняет присущую ему
кристаллическую решетку, а второе вещество, утратив свое кристаллическое
строение, в виде отдельных атомов распределяются в кристаллической решетке
первого. Первое вещество является растворителем, а второе – растворимым.
В твердых растворах замещения атомы растворимого элемента занимают места
атомов основного металла. Посторонние атомы могут замещать атомы
растворителя в любых местах, поэтому таки е растворы называют
неупорядоченными твердыми растворами. Размеры атомов растворимого
элемента всегда отличаются от размеров атомов растворителя, поэтому при
образовании твердого раствора замещения кристаллическая решетка металла-
растворителя немного искажается, не утрачивая при этом основного строения.
Твердые растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными.
Одно из условий неограниченной растворимости – размерный фактор: чем
больше различие в атомных радиусах, тем меньше растворимость.
Неограниченная растворимость компонентов присуща системам, в которых
атомные радиусы элементов различаются не более чем на 8-15%. Кроме того,
они должны быть изоморфными.
Диаграмма состояния и кривые охлаждения сплавов системы представлены ниже
на рисунке 1.
Сначала получают термические кривые. Полученные точки переносят на
диаграмму, соединив точки начала кристаллизации сплавов и точки конца
кристаллизации, получают диаграмму состояния.
Рисунок 1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью
компонентов в твердом состоянии (а); кривые охлаждения типичных сплавов (б)
Проведем анализ полученной диаграммы:
количество компонентов: К = 2 (компоненты А и В);
число фаз: f = 2 (жидкая фаза L, кристаллы твердого раствора
)
Основные линии диаграммы: acb – линия ликвидус, выше этой линии сплавы
находятся в жидком состоянии; adb – линия солидус, ниже этой линии сплавы
находятся в твердом состоянии.
Характерные сплавы системы: чистые компоненты А и В кристаллизуются при
постоянной температуре, кривая охлаждения компонента В представлена на
рисунке 1, б.
Остальные сплавы кристаллизуются аналогично сплаву I, кривая охлаждения
которого представлена на рисунке 1, б.
Процесс кристаллизации сплава I: до точки 1 охлаждается сплав в жидком
состоянии. При температуре, соответствующей точке 1, начинают
образовываться центры кристаллизации твердого раствора
. На кривой
охлаждения отмечается перегиб (критическая точка), связанный с уменьшением
скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации.
На участке 1–2 идет процесс кристаллизации, протекающий при понижающейся
температуре, так как согласно правилу фаз в двухкомпонентной системе при
наличии двух фаз (жидкой и кристаллов твердого раствора
) число степеней
свободы будет равно единице
1122 С
. При достижении температуры
соответствующей точке 2, сплав затвердевает, при дальнейшем понижении
температуры охлаждается сплав в твердом состоянии, состоящий из однородных
кристаллов твердого раствора
.
Пользуясь диаграммой состояния можно для любого сплава при любой
температуре определить не только число фаз, но и их состав и количественное
соотношение. Для этого используется правило отрезков. Для проведения
количественного структурно-фазового анализа через заданную точку проводят
горизонталь (коноду) до пересечения с ближайшими линиями диаграммы
(ликвидус, солидус или оси компонентов).
Определение состава фаз в точке m:
Для его определения через точку m проводят горизонталь до пересечения с
ближайшими линиями диаграммы: ликвидус и солидус.
Состав жидкой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с
линией ликвидус p на ось концентрации.
Состав твердой фазы определяется проекцией точки пересечения горизонтали с
линией солидус q (или осью компонента) на ось концентрации.
Состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса, а состав твердой фазы – по
линии солидуса.
С понижением температуры состав фаз изменяется в сторону уменьшения
содержания компонента В.
Определение количественного соотношения жидкой и твердой фазы при
заданной температуре (в точке m):
Количественная масса фаз обратно пропорциональна отрезкам проведенной
коноды. Рассмотрим проведенную через точку m коноду и ее отрезки.
Количество всего сплава (Q
сп
) определяется отрезком pq.
Отрезок, прилегающий к линии ликвидус pm, определяет количество твердой
фазы:
%100
pq
pm
Q
тв
.
Отрезок, прилегающий к линии солидус (или к оси компонента) mq, определяет
количество жидкой фазы:
%100
pq
mq
Q
ж
.
4
Вопрос №39
По диаграмме железо-цементит для сплава с заданным содержанием углерода:
1. опишите, какие фазовые и структурные превращения происходят при
медленном охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры;
2. охарактеризуйте этот сплав;
3. определите при заданной температуре количество, химический состав фаз,
процентное соотношение фаз (по правилу отрезков).
Сплав содержит 3,0% углерода; температура 900
0
С.
1. При охлаждении до температуры 1300
0
С сплав находится в жидком
состоянии.
2. При температуре 1300
0
С начинается кристаллизация этого сплава с
выделением из жидкой фазы кристаллов аустенита
АЖ
Этот процесс идет при охлаждении до температуры 1147
0
С. Концентрация
углерода в кристаллах аустенита – 4,3%, поэтому при их выделении
концентрация углерода в жидкой фазе уменьшается с 3,0 до 2,4%.
3. При температуре 1147
0
С оставшаяся жидкость претерпевает эвтектическое
превращение
FЕС
ЦАЖ
.
4. При охлаждении от 1147 до 727
0
С сплав имеет структуру
II
ЦЦАЛА
.
В этом сплаве образуется
II
Ц
, т.к. при охлаждении состав аустенита
изменяется по линии ES. Концентрация углерода с понижением
температуры изменяется от 2,14 до 0,8%.
5. При температуре 727
0
С происходит эвтектоидное превращение
КРS
ЦФА
. Ниже температуры 727
0
С сплав имеет структуру
II
ЦЦПЛП
.
Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита. Концентрация
углерода 0,8%.
Рисунок 2. Диаграмма состояния железо-цементит
Химический состав аустенита определяется точкой а: 1,2% углерода и 98,8%
железа.
Химический состав цементита определяется точкой с, он постоянен: 6,67%
углерода и 93,33% железа.
Процентное соотношение фаз в сплаве определяется по правилу отрезков.
Количество аустенита =
%100
ас
вс
; Количество цементита =
%100
ас
aв
.
Отрезки ac=93мм, bc=64мм, ab=29мм измеряют диаграмме состояния железо-
цементит в миллиметрах.
Количество аустенита =
%82,68%100
93
64
Количество цементита =
%18,31%100
64
29
a
b
c
Вопрос №69
Расшифруйте марки сплавов, укажите к какому классу относятся эти сплавы,
приведите их химический состав и механические свойства, укажите их
назначение.
Для углеродистой стали (конструкционной или инструментальной) выберите
оптимальные температуры закалки и отпуска, постройте график термической
обработки. Опишите, какие превращения в структуре стали, происходят при
нагреве и охлаждении стали при закалке и при отпуске закаленной стали.
Марка сплава: КЧ30-6
КЧ30-6– ковкий чугун, выпускается по ГОСТ 1215-59, относится к ферритному
классу. Получают отжигом белого доэвтектического чугуна.
Химический состав и механические свойства чугуна КЧ30-6 приведены в
таблице 1
2
и 2
2
.
Таблица 1
Химический состав чугуна КЧ30-6
Марка
чугуна
Содержание элементов, %
углерод кремний марганец фосфор сера хром
КЧ30-6 2,6-2,9 1,0-1,6 0,4-0,6 0,18 0,2 0,08
Таблица 2
Механические свойства чугуна КЧ30-6
Марка
чугуна
Предел прочности,
2
ммкгс
Относительное
удлинение, %
Твердость по
Бринеллю, НВ
КЧ30-6 не менее 30 не менее 6 163
Сплав КЧ30-6 – ковкий чугун, обладающий высокими прочностными и
пластическими характеристиками.
Ковкий чугун КЧ30-6 применяют для деталей, работающих при ударных и
вибрационных нагрузках (картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы,
хомутики, муфты, фланцы).
Марка сплава: У12
Сталь У12 – инструментальная углеродистая сталь, выпускается по ГОСТ 1435-
99, относится классу, заэвтектоидных ферритно-перлитных сталей.
Химический состав и механические свойства стали У12 приведены в таблице 3
3
и 4
3
.
Таблица 3
Химический состав стали У12
Марка
стали
Содержание элементов, %
углерод кремний марганец сера фосфор
не более
У12 1,1-1,29 0,17-0,33 0,17-0,33 0,028 0,030
Таблица 4
Механические свойства стали У12
Марка
стали
Временное сопротивление,
2
ммкгс
Твердость,
HRC
У12 79 62-64
Сталь У12 – инструментальная углеродистая сталь, обладающая высокой
твердостью и износостойкостью, прочностью, хорошо шлифуется.
Сталь У12 применяют для напильников, бритв, граверного инструмента.
3
Для снижения твердости и создания благоприятной структуры сталь У12 до
изготовления инструмента подвергают предварительной термической обработке
– отжигу, поскольку наличие вторичного цементита ухудшает качество и срок
службы инструмента. Окончательная термическая обработка – закалка и отпуск.
График термической обработки стали У12 представлен на рисунке 3.
ò å ì ï å ð à ò ó ð à
0
Ñ
â ð å ì ÿ
t
A
C 3
= 8 3 0
0
A
C 1
= 7 3 0
0
7 6 0
0
- 7 8 0
0
7 6 0
0
- 7 8 0
0
1 5 0
0
- 2 0 0
0
í å ï î ë í û é
î ò æ è ã
ç à ê à ë ê à í è ç ê è é
î ò ï ó ñ ê
ò å ì ï å ð à ò ó ð à
0
Ñ
â ð å ì ÿ
t
A
C 3
= 8 3 0
0
A
C 1
= 7 3 0
0
7 6 0
0
- 7 8 0
0
7 6 0
0
- 7 8 0
0
1 5 0
0
- 2 0 0
0
í å ï î ë í û é
î ò æ è ã
ç à ê à ë ê à í è ç ê è é
î ò ï ó ñ ê
Рисунок 3. График ХТО стали У12
Описание операций термической обработки стали У12
Структура стали У12 до обработки – феррит + перлит.
Критические точки: Ас
1
= 730
0
С и Ас
3
= 830
0
С.
1.Неполный отжиг применяется для получения равновесной структуры с целью
снятия внутренних напряжений, снижения твердости, повышения пластичности
и вязкости стали, улучшения ее обрабатываемости резанием, измельчения зерен
для подготовки к последующей закалке. Неполный отжиг применяют для
заэвтектоидных сталей, нагревают до температуры на 30…50
0
С выше
температуры, соответствующей точке Ас
1
, что вызывает практически полную
перекристаллизацию и позволяет получить зернистую форму перлита вместо
пластинчатой.
СТ
отж
00000
780...76050...30730
. После неполного отжига стали обладают
наилучшей обрабатываемостью резанием, т.е. возможно применение больших
скоростей резания и достигается высокая частота поверхности. Скорость
охлаждения – 150…200
0
С/ч. (для углеродистых сталей). Продолжительность
отжига зависит от размеров детали и может быть в пределах от 2…20 часов (для
небольших деталей обычно 1…4 часа).
7
2.Закалка – термическая обработка, которая заключается в нагреве стали до
определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем
охлаждении со скоростью, выше критической с целью получения максимальной
твердости и прочности стали.
1
Изделие нагревают на 30…50
0
С выше температуры Ас
1
, т.е.
Сt
зак
00000
780...76050...30730
. Общая продолжительность выдержки в печи
)(
зак
Т
определяется суммарным временем: время нагрева
)(
Н
Т
и временем
выдержки
)(
В
Т
:
)(
зак
Т
)(
Н
Т
)(
В
Т
. Время нагрева определяют из расчета 1
мин. на 1 мм сечения. Время выдержки принимают равным 0,25 от времени
нагрева.
Наиболее ответственной операцией при закалке является охлаждение, которое
должно осуществляться со скоростью больше критической для получения
мартенсита в пределах заданного сечения изделия и не должно вызывать
закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких
растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.
7
Критическая скорость закалки определяется по С-образной диаграмме распада
аустенита для каждой марки стали.
1
Углеродистые стали закаливают на мартенсит только в резких средах (вода,
раствор щелочи).
Структура закаленной стали У12 – мелкоигольчатый мартенсит или
мелкозернистый мартенсит с мелкими карбидами.
3.Отпуск – заключительная операция термической обработки, правильность
проведения которой зависит качество детали. Рекомендуется осуществлять ее
сразу после закалки.
Для инструментов из стали У12, где требуется высокая твердость и
износостойкость, применяют низкий отпуск при температурах 150-200
0
С.
Низкий отпуск снижает напряжения.
Продолжительность отпуска зависит от размеров детали (0,5…4 часа). Общее
время пребывания детали в электропечи составляет 2 мин. на 1 мм
максимального сечения (для углеродистых сталей), но не менее 30-40 мин. для
деталей небольшого размера. Охлаждение после отпуска на воздухе.