Курсовая работа по материаловедению. Вариант №9
Подождите немного. Документ загружается.
Федеральное агентство образования Российской Федерации.
Тульский государственный университет.
Кафедра ФММ.
Контрольно-курсовая работа
по материаловедению
“Материаловедение ТМК”
Вариант №9.
Выполнил студент гр.
Принял:
Стариков Н.Е.
Тула, 2004г.
Задание.
Вариант № 9.
1. Как изменяются механические и другие свойства при нагревании
наклепанного металла?
2. 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 1600°С (с применением правил фаз) для
сплава, содержащего 3,3% С.
3. В результате термической обработки втулки должны получить
повышенную прочность по всему сечению (твердость НВ250-280).
Для их изготовления выбрана сталь 40ХГР: расшифруйте состав и
определите, к какой группе относится данная сталь по
назначению.
1
Содержание.
Задание. 1
Вопрос №1. 3
Вопрос №2. 10
Вопрос №3. 17
Список литературы. 24
Вопрос №1: Как изменяются механические и другие свойства
при нагревании наклепанного металла?
2
Рис. 1.1. Зависимость
механических свойств от
степени деформации.
В результате холодного пластического деформирования металл
упрочняется, изменяются его физические свойства. Наклепанный
металл запасает 5 - 10 % энергии, затраченной на деформирование.
Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки
(плотность дислокаций возрастает до 10
9
—10
12
см
-2
) и на упругие
искажения решетки. Свойства наклепанного металла изменяются тем
сильнее, чем больше степень деформации.
При деформировании увеличиваются прочностные
характеристики (твердость, σ
В
, σ
0,2
, σ
УПР
) и понижаются пластичность и
ударная вязкость (δ, ψ, КCU). Металлы интенсивно наклепываются в
начальной стадии деформирования, затем при возрастании
деформации механические свойства изменяются незначительно (рис.
1.1).
С
увеличением
степени
деформации
предел текучести
растет быстрее временного сопротивления.
Обе характеристики у сильно наклепанных
металлов сравниваются, а удлинение
становится равным нулю. Такое состояние
3
наклепанного металла является
предельным; при попытке продолжить
деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и
временное сопротивление удается повысить в 1,5 - 3 раза, а предел
текучести в 3 - 7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее
металлов с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее
упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна
(например, интенсивно наклепываются аустенитная сталь, никель, а
алюминий упрочняется незначительно).
Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют
для повышения прочности деталей, изготовленных методами
холодной обработки давлением. Снижение пластичности при наклепе
улучшает обрабатываемость резанием вязких и пластичных
материалов (латуней, сплавов алюминия и др.).
Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на возврат и
рекристаллизацию. В свою очередь, при возврате различают отдых и
полигонизацию.
Возвратом называют все изменения тонкой структуры и свойств,
которые не сопровождаются изменением микроструктуры
деформированного металла, т.е. размер и форма зерен при возврате
не изменяются.
4
Рекристаллизация — это процесс зарождения и роста новых
зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате
рекристаллизации образуются новые, чаще всего равновесные зерна.
В зависимости от температуры нагрева и выдержки различают три
стадии рекристаллизации: первичная, собирательная и вторичная.
Первичная рекристаллизация начинается с образования
зародышей новых зерен и заканчивается полным замещением
наклепанного металла новой поликристаллической структурой (рис.
1.2, а-в). Для начала первичной рекристаллизации необходимы два
условия:
1. предварительная деформация наклепанного металла
должна быть больше критической;
2. температура нагрева должна превысить критическое
значение, составляющее некоторую долю от температуры
плавления металла:
Т
РЕК
= аТ
ПЛ
.
5
а) б) в) г) д)
Рис. 1.2. Схема изменения микроструктуры наклепанного
металла при нагреве:
а - наклепанный металл; б - начало первичной
рекристаллизации; в - завершение первичной
рекристаллизации; г - рост зерен; д - образование равновесной
структуры.
Коэффициент а уменьшается при увеличении степени
деформации т.е. металл после холодного деформирования ε = 90 %
будет рекристаллизовываться при более низкой температуре, чем
такой же металл после деформирования ε = 20%.
На стадии первичной рекристаллизации зарождение и рост новых
зерен происходят одновременно. Зерна растут путем движения
большеугловых границ через наклепанный металл. В таком зерне
плотность дислокаций и других дефектов минимальна, в наклепанном
металле — максимальна.
Первичная рекристаллизация заканчивается при полном
замещении новыми зернами всего объема деформированного
металла (рис. 1.2, в). Первичная рекристаллизация полностью снимет
наклеп, созданный при пластическом деформировании, металл
приобретает равновесную структуру с минимальным количеством
дефектов кристаллического строения. Свойства металла после
рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла (рис. 1.3).
Особое значение имеет рост
крупных зерен при нагреве
деформированного металла, когда его
деформация близка к критической. При
критической деформации еще не
формируется ячеистая дислокационная
структура, способная создать зародыши
6
Рис. 1.3. Схемы
изменения твердости и
пластичности наклепанного
металла при нагреве:
| - возврат; || - первичная
рекристаллизация; ||| - рост
зерна
рекристаллизации, что способствовало бы формированию
мелкозернистой структуры. Неоднородность деформации зерен,
различия энергии упругих искажений являются движущей силой
укрупнения зерен за счет менее устойчивых мелких зерен.
Собирательная рекристаллизация представляет
самопроизвольный процесс укрупнения зерен, образовавшихся на
стадии первичной рекристаллизации. Чем крупнее зерна, тем меньше
суммарная поверхность границ зерен и тем меньше запас избыточной
поверхностной энергии (по сравнению с объемом зерен).
Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного
зерна к соседнему через границу раздела; одни зерна при этом
постепенно уменьшаются в размерах и затем совсем исчезают, другие
— становятся более крупными, поглощая соседние зерна (рис. 1.2, г).
С повышением температуры рост зерен ускоряется.
Собирательная рекристаллизация тормозится, когда зерна
становятся многогранниками с плоскими гранями, а углы между
соседними гранями составляют 120° (рис. 1.2, д)
Вторичная рекристаллизация представляет собой стадию
неравномерного роста одних зерен по сравнению с другими. В
результате формируется конгломерат зерен-гигантов, соседствующих
с зернами-карликами. Механические свойства подобной
разнозернистой структуры хуже, чем однородной структуры
7
рекристаллизованного металла. Вторичной рекристаллизации
соответствуют высокие температуры нагрева наклепанного металла.
Описанный процесс рекристаллизации типичен для скоростей
нагрева в обычных термических печах, и для завершения той или иной
стадии рекристаллизации требуются выдержки порядка нескольких
часов.
Пластичность и вязкость металлов и сплавов зависят от размера
зерен. С уменьшением размера зерен вязкость улучшается. Размер
зерен, образующихся в результате рекристаллизации, зависит в
основном от степени пластической деформации, а также от
температуры, при которой происходила рекристаллизация.
Увеличение выдержки при нагреве способствует росту зерен, но
эффект значительно меньше, чем при повышении температуры
нагрева.
Для конструкционных материалов общего назначения
анизотропия свойств нежелательна. Рекристаллизованные сплавы,
как правило, однородны по свойствам и анизотропии не
обнаруживают.
Рекристаллизация многофазных сплавов представляет более
сложный процесс, в котором на зарождении и росте новых
рекристаллизованных зерен сказываются различия свойств каждой
фазы, характер структуры объемные соотношения между фазами.
Особое значение имеют размер частиц второй фазы и среднее
8
расстояние между частицами. Чем ближе друг к другу расположены
частицы второй фазы, тем труднее перемещаться границе нового
зерна и тем сильнее тормозится рекристаллизация. Это проявляется в
повышении температуры рекристаллизации и увеличении времени
для завершения первичной рекристаллизации многофазно сплава по
сравнению с однофазным. Близость частиц второй фазы
обеспечивается при достаточно высоком их содержании в сплаве.
При горячем деформировании материалов с ультрамелким
зерном (0,5 - 10 мкм) проявляется сверхпластичное состояние
металла. При низких скоростях деформирования (10~
5
— 10~
4
с
-1
)
металл течет равномерно, не упрочняясь: относительные удлинения
достигают 10
2
— 10
3
%.
Огромные деформации в сверхпластичном состоянии
складываются из зернограничного скольжения, дополненного
направленным (под действием напряжений) диффузионным
переносом атомов и обычным скольжением внутри зерен.
Сверхпластичное состояние используют на практике для
производства изделий весьма сложной формы при помощи
пневматического формования листов или объемного прессования.
Несмотря на медленность
Процессы, основанные на использовании мелкозернистой
структуры, широко применяются в промышленности. При малых
9