Полный текст:
Содержание:
1. Опишите
влияние скорости охлаждение на величину зерна после кристаллизации. 2
2. Вычертите
диаграмму состояния системы олово-цинк. Опишите взаимодействие компонентов в
твердом и жидком состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях
диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной
системе с помощью правила Курнакова. 3
3. Для чего
применяется отжиг после холодной пластической деформации? Выбор режима отжига. 3
4. Вычертите
диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во
всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в
интервале температур от 1600 до 0°С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего
2,7% С. Для заданного сплава определите процентное содержание углерода в фазах
при температуре 950°С. 3
5. Используя
диаграмму изотермического превращения аустенита, объясните, почему нельзя
получить в стали чисто мартенситную структуру при охлаждении ее со скоростью,
меньшей, чем критическая скорость закалки. 3
Список
литературы.. 3
1.
Опишите влияние скорости охлаждение на величину зерна после кристаллизации.
Переход металла из жидкого
состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией.
Процесс кристаллизации может протекать только при переохлаждении
металла ниже равновесной температуры Тп. Разность между
температурами Тп и Тк, при которых может протекать
процесскристаллизации, носит название степени
переохлаждения:?Т=Тп-Тк.Термические кривые, характеризующие
процесс кристаллизации чистых металлов при охлаждении с разной
скоростью , показаны на рисунке 1.
Рисунок 1 – Кривые
охлаждения металлапри кристаллизации ()
При очень медленном
охлаждении степень переохлаждения невелика и
процесс кристаллизациипротекает при температуре близкойкравновес-
нойТп.
На термической кривой при
температурекристаллизации отмечается горизонтальная площадка (остановка в
падении температуры), образование которой объясняется выделением скрытой
теплоты кристаллизации, несмотря на отвод теплоты при охлаждении.
С
увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает
(кривые ?2, ?3) и процесскристаллизации протекает при
температурах, лежащих значительно ниже равновесной температурыкристаллизации.
Чем больше скорость образования
зародышей и меньше скорость роста их, тем меньше размер кристалла (зерна),
выросшего из одного зародыша, и, следовательно, более мелкозернистой будет
структура металла.
При
небольшой скорости переохлаждения ?Т (малой скоростиохла-ждения)
число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С
увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает,
количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем
металле уменьшается.
Размер зерна металла
сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и
пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.
Величина зерна зависит
от (параметров процесса кристаллизации):
– степени переохлаждения;
– температура нагрева и разливки
жидкого металла;
– химический состав и присутствие
посторонних примесей.
охлаждение жидкости ниже
равновесной температурыкристал-лизации называется переохлаждением, которое
характеризуется степенью переохлаждения (?Т):
В свою очередь, число
центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.)
зависят от степени переохлаждения.
Рисунок 2 – Зависимость
числа центров кристаллизации (а)и скорости роста кристаллов
(б) от степени переохлаждения
Часто источником образования
зародышей являются всевозможные твердые частицы, которые всегда присутствуют в
расплаве. Структурное сходство между поверхностями сопряжения зародыша и
частицы посторонней примеси приводит к уменьшению размера критического
зародыша, работы его образования, и затвердевание жидкости начинается при
меньшем переохлаждении, чем при самопроизвольном зарождении.
Чем больше примесей, тем больше
центров кристаллизации, тем мельче зерно.
Размер зерна сильно
влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и
пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.
2.
Вычертите диаграмму состояния системы олово-цинк. Опишите взаимодействие
компонентов в твердом и жидком состояниях, укажите структурные составляющие во
всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств
сплавов в данной системе с помощью правила Курнакова.
На рисунке 3 изображена диаграмма состояния системы олово-цинк
T 0 C
600
500
400
Ж
4190
C
300
А
Д
200
Ж+Sn
Ж+Zn 1990
100
В
Э(Sn+Zn)+Zn
E
0
0 10
20 30 40
50 60 70
80 90 100
Sn% ZnZn
Рис.
3. Диаграмма состояния сплавов
системы Sn-Zn
Согласно этой
диаграммы линия АВС – линия ликвидус, а линия
ДВЕ – солидус. Кроме того, линия ДВЕ соответствует температуре, при
которой в процессе охлаждения сплавов в них протекает эвтектическая реакция с
образованием эвтектики.При содержании ~ 8% Zn и 92% Sn
образуется эвтектический сплав. Температура его образования при кристаллизации
соответствует 1990С.
Система эвтектического типа без
образования промежуточных фаз. Эвтектикаобразуется
при температуре 198,5 °С и концентрации 85,1 % (ат.)Sn.
Растворимость Sn в (Zn) при 400 °С немного превышает 0,06 %
(ат.); при эвтектической температуре в (Zn) растворяется -0,06-0,1 %
(ат.) Sn . При эвтектической температуре растворимость Zn в
(Sn) оценивается в 0,7 % (ат.)
В качестве
припоев применяют сплавы с содержанием олова 90,70,60 и 40% марок ПОЦ – 90, ПОЦ
– 70, ПОЦ – 60 и ПОЦ – 40.
Наилучшим из
этой серии является сплав ПОЦ -90, так как он имеет самую низкую температуру
кристаллизации ~2020С.
Эти сплавы имеют
более высокую прочность, нежели оловянно свинцовистые сплавы.
При образовании
смесей олово-цинк свойства сплава изменяются по линейному закону,
следовательно, значения свойств сплава находятся в интервале между свойствами
чистых компонентов.
3. 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.
Рисунок 4
4.
Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные
составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую
охлаждения в интервале температур от 1600 до 0°С
(с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,7% С. Для заданного
сплава определите процентное содержание углерода в фазах при температуре 950°С.
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.
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
растворауглерода в ?-железе (?-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с
содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с
образованием ? (?)-твердого раствора. На линии HJB протекает
перитектическое превращение, в результате которого образуется
твердый раствор углерода в ?-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 ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. 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 ?-железа в ?-железо и распадом аустенита.
Линия GS соответствует температурам
начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавысостоят из
феррита и аустенита.
Линия ЕS показывает температуры
начала выдел пня цементита из аустенита вследствие уменьшениярастворимости
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 эвтектоиднаясмесьсостоящая 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 А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].
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 727?С имеют структуру феррит+перлит и
заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.
В доэвтектических чугунах
в интервале температур 1147–727?С при охлаждении из аустенита
выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости
углерода(линия ES). По достижении температуры 727?С (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 727?С состоит из ледебурита превращенного.
Заэвтектический чугун при температурах ниже 727?С состоит из
ледебурита превращенного и цементита первичного.
Правило фаз устанавливает
зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и
числом фази выражается уравнением:
C = K + 1 – Ф,
где С –
число степеней свободы системы;
К – число компонентов,
образующих систему;
1 – число внешних факторов
(внешним фактором считаем только температуру, так как давление за
исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие
сплавов в твердом и жидком состояниях);
Ф – число фаз,
находящихся в равновесии.
Сплав железа с углеродом,
содержащий 2,7%С, называется чугуном. Его структура при комнатнойтемпературе
Перлит + Цементит + Ледебурит (П+Fe3C).
а) б)
Рисунок 5: а – диаграмма
железо-цементит;б – кривая охлаждения для сплава,
содержащего 2,7% углерода
При температуре 950оС содержится
углерода 1,45% С
Определим
процентное содержание углерода в фазах при температуре 950°С. Для определения
содержания углерода в фазах нужно провести черезданный температурный уровень
линию, параллельную оси концентрации до пересечения с линиями SE, FK. Тогда проекция точки пересечения этой линии с SE (точка a) на
ось концентрации укажет количество углерода (т.е.1.48 % С), точка пересечения с
линией FK (b) - 6.67%С.
5.
Используя диаграмму изотермического превращения аустенита, объясните, почему
нельзя получить в стали чисто мартенситную структуру при охлаждении ее со
скоростью, меньшей, чем критическая скорость закалки.
Чем больше скорость охлаждения и
ниже температура распада аустенита (рисунок 6), тем дисперснее
образующаяся феррито-цементитная структура. Следовательно, при небольшой
скорости охлаждения ?1образуется перлит, при большей ?2 – сорбит и еще
большей ?3 –троостит.
Рисунок 6 – Наложение
кривых охлаждения на диаграммуизотер-
мического распада аустенита
При высоких скоростях охлаждения
(кривая ?4) часть аустенита переохлаждается до
точки Мн ипревращается в мартенсит. Структура в этом случае состоит
из троостита и мартенсита.При очень большой скорости охлаждения диффузионный
распад аустенита становится вообще невозможным, и тогда аустенит
переохлаждается до точки Мн и при дальнейшем охлаждении
превращается в мартенсит (кривая ?5). Превращение аустенита в
мартенсит не идет до конца,
поэтому в закаленной стали наряду с мартенситом всегда
присутствует в некотором количестве остаточный аустенит. Минимальную скорость
охлаждения (кривая ?к), при которой весь аустенит переохлаждается до
точки Мн и превращается в мартенсит, называется критической
скоростью закалки.
Список литературы
Адаскин А.М., Седов Ю.Е., Онегин
А.К., Климов А.К. Материаловедение. 2005.Арзамасов Б.Н., Сидорин И.И.,
Косолапой Г.Ф. Материаловедение. - М.:
Машиностроение, 1986.Башнин Ю. А., Ушаков Б.К., Секей
А.Г. Технология термической
обработки. - М: Металлургия, 1986.Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г.
Материаловедение. М.: Металлургия,
1989.Гуляев А.П. Металловедение. - М.:
Металлургия, 1986.Дриц М.Е.,
Москалев М.А. Технология
конструкционных материалов и
материаловедение. - М.: Высш. шк., 1990.Колачев Б.А., Ливанов В.А..
Елагин А.И. Металловедение и
термическая обработка цветных металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1981Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф.,
Третьяков Л.В. Технология металлов и
материаловедение. - М.: Металлургия, 1987.Кузьмин Б.А., Абраменко Ю.Е.,
Кудрявцев М.А. Технология металлов и. – М.: Машиностроение.1989. Лахтин Ю.М. Основы материаловедения. - М.:
Металлургия, 1988. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение.
- М.: Машиностроение. 1990.Металловедение и термическая
обработка стали. Справочник. Т.1. Т.2.
Т.З - М.: Металлургия. 1983.