Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Контрольная работа по материаловедению. Вар. 8 - файл 1.doc


Контрольная работа по материаловедению. Вар. 8
скачать (1316 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc1316kb.16.12.2011 02:20скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Федеральное агентство по образованию

Филиал государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»


КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1

ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ




Выполнил: студент 2 курса заочного отделения

специальность: НР

Группа: НРс

Проверил:



Нижневартовск 2010

Оглавление


^ 1. Опишите условия получения мелкозернистой структуры при самопроизвольно развивающейся кристаллизации, используя теорию Таммана. 3

2. Вычертите диаграмму состояния медь-серебро, опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов с помощью правил Курнакова. 6

^ 3. Для чего применяется отжиг в процессе изготовления холоднокатанной стальной ленты? Как называется такой вид отжига? 8

4. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 00 до 16000 С (с применением правила фаз) для сплава. содержащего 2,3%С. Для заданного сплава при температуре 12500 С определите: состав фаз, т.е. процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношение фаз. 10

5. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали и нанесите на нее кривую режима изотермического отжига. Опишите превращения и получаемую после такой обработки структуру. 12

Список литературы 13



^

1. Опишите условия получения мелкозернистой структуры при самопроизвольно развивающейся кристаллизации, используя теорию Таммана.


Каждое вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Переход из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым превращением.

Кристаллизацией называется процесс образования кристаллов (кристаллической решетки) из жидкой или газообразной среды. В природе все самопроизвольно протекающие процессы, в том числе плавление и кристаллизация вызываются тем, что новое состояние в новых условиях является более устойчивым и обладает меньшим запасом свободной энергии. Под свободной энергией F - понимают ту часть внутренней энергии, которая может быть превращена в работу.

С повышением температуры свободная энергия жидкого и твердого состояния уменьшается. Однако она меняется различно для жидкого и твердого состояния (рис.1).



Рис.1^ Свободная энерги F

При температуре выше T0 меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, ниже T0 - в твердом состоянии. Следовательно, при T> T0 вещество находится в жидком состоянии, а при T<T0 – в твердом состоянии. Очевидно, что при T0 свободные энергии жидкого и твердого состояния равны, металл в обоих состояниях находится в равновесии.

Температура T0 называется равновесной или теоретической температурой кристаллизацией (плавления).

При T0 не может происходить процесс кристаллизации, т.к. для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден, т.е. необходимо создать такие условия, при которых свободная энергия твердой фазы будет меньше, чем свободная энергия жидкой фазы. Как видно из рисунка 1, это возможно лишь при некотором переохлаждении сплава. Температура, при которой практически начинается кристаллизация, называется фактической температурой кристаллизации.

П
роцесс кристаллизации изучают по кривым охлаждения (рис2).
^
Рис.2 Кривые охлаждения при кристаллизации


Охлаждение металла в жидком состоянии сопровождается плавным понижением температуры (участок AB).Скорость охлаждения (наклон кривой) зависит от разности температур металла и охлаждающей среды. При достижении температуры кристаллизации на кривой появляется площадка (участок BC), т.к. отвод тепла компенсируется так называемой открытой теплотой кристаллизации. По окончании кристаллизации (точка C), т.е. когда весь жидкий металл перейдет в кристаллическое состояние, температура опять начинает снижаться, происходит охлаждение затвердевшего металла (участок CD). Чем больше скорость охлаждения, тем при низкой температуре заканчивается процесс кристаллизации и тем больше будет степень переохлаждения.

Скорость процесса кристаллизации количественно определяется двумя величинами – скорость зарождения центров кристаллизации (чц 1см3 в сек) и скоростью роста кристаллов (ср в мм/сек) (Рис.3).

Число центров кристаллизации (чц), скорость роста (ср) и размер кристаллов, образующихся в результате кристаллизации, зависят от степени переохлаждения. Для степени переохлаждения скорость образования центров кристаллизации и их рост малы, поэтому процесс кристаллизации протекает медленно и зерна образуются крупные.

Для степени переохлаждения значительно увеличилась как скорость зарождения центров кристаллизации, так и скорость роста, поэтому процесс кристаллизации будет протекать значительно быстрее, зерна получаются мелкие. Процесс кристаллизации зависит не только от степени переохлаждения, но и от многих других факторов. На форму и размер кристаллов большое влияние оказывают такие факторы как скорость и направление охлаждения изложницы, наличие не растворившихся частиц.

В зависимости от условий кристаллизаций могут возникать кристаллы различной формы: пластинчатые и игольчатые, но наиболее распространенным является дендритный (древовидный) кристалл Чернова (Рис.4).

Рост дендритных кристаллов происходит путем образования осей первого порядка (ствол) (Рис.4), перпендикулярно которым вырастают ветви второго порядка, перпендикулярно к ним – ветви третьего порядка, и т.д.

Процесс кристаллизации реальных сплавов начинается у стенок изложницы в местах, где жидкий металл охлаждается в первую очередь и последовательно подвигаются к центру слитка.

Первая образовавшаяся зона – это зона беспорядочно направленных равноосных кристаллов.

Мелкие кристаллы здесь получаются благодаря большой степени переохлаждения. Разориентированы они в результате того, что эти кристаллы растут перпендикулярно неровностям внутренней поверхности стенки изложницы.

После образования первой зоны начинается рост второй зоны - зоны столбчатых кристаллов. Рост этих кристаллов идет в направлении отвода тепла, и поскольку кристаллы растут одновременно, то они приобретают столбчатую вытянутую форму.

При медленном охлаждении в центре слитка образуется 3-я зона – зона равновесных произвольно ориентированных кристаллов, размер которых зависит от степени переохлаждения. В верхней части слитка обычно формируется усадочная раковина. Эту часть слитка удаляют.

Размер зерна при первичной кристаллизации зависит прежде всего от тех условий, в которых протекает затвердевание металла, т. е. определяется различными факторами, существующими при отливке металла. Такими факторами могут быть:

  1. температура нагрева жидкого (расплавленного) металла и время выдержки при ней;

  2. температура заливки (если производится отливка в изложницу или форму);

  3. способы заливки (сверху или снизу - сифоном, направление струи, скорость заполнения, перемешивание, внешнее давление и т. п.);

  4. способы охлаждения, обусловливаемые материалом формы, ее температурой и приспособлениями для искусственного замедления или ускорения охлаждения, т. е. изменения скорости охлаждения;

  5. качество металла, особенно его загрязненность нерастворимыми примесями, посторонними включениями и т. д.

Число подобных факторов при кристаллизации, влияющих на структуру и, следовательно, на величину зерна затвердевшего металла, велико, и учет их для объяснения получаемых результатов затруднителен. Вот почему до настоящего времени нет такой теории кристаллизации, которая позволила бы в точности предопределить вид получаемой структуры затвердевшего слитка и размеры его зерен.

Хотя попытки в этом направлении и существуют, но они не всегда согласуются с получаемым на практике видом структуры слитка, и о последней приходится судить лишь на основании наблюдений, накопляемых экспериментально при исследовании макрошлифов слитков или отливок, полученных при различных условиях плавки металла, его заливки и охлаждения.

Для объяснения процесса кристаллизации наиболее известна теория, связывающая внутренние факторы кристаллизации со степенью переохлаждения кристаллизующегося вещества.

Внутренними факторами являются:

  1. число зародышей (центров кристаллизации), возникающих в жидкости в момент переохлаждения самопроизвольно, т. е. свойственно природе самой жидкости (без воздействия внешних, посторонних факторов);

  2. скорость разрастания кристаллов, которую обычно определяют в одном направлении, почему и называют линейной, скоростью кристаллизации.

Закономерность изменения этих факторов в связи с переохлаждением экспериментально установил Тамман; указанную теорию кристаллизации связывают с его именем.

Тамман производил свои наблюдения не над металлами, а над органическими веществами, обладающими малой скоростью кристаллизации. Однако произведенные позднее наблюдения кристаллизации легкоплавких металлов: подтвердили правильность теории и для металлов.

Как число зародышей, так и скорость кристаллизации близки к нулю при температуре нормального (равновесного) превращения Т (почти равной температуре Тпл)1 быстро возрастают по мере увеличения переохлаждения, достигают максимального значения и далее снова снижаются, приближаясь к нулю при сильных переохлаждениях.

2. Вычертите диаграмму состояния медь-серебро, опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов с помощью правил Курнакова.



Рис. 5 Диаграмма состояния медь-серебро.

Ж


По внешнему виду диаграмма похожа на диаграмму состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Отличие в том, что линии предельной растворимости компонентов не перпендикулярны оси концентрации. Появляются области, в которых из однородных твердых растворов при понижении температуры выделяются вторичные фазы.

ABC - линия ликвидус

ADEC - линия солидус.

DF, EG – линии переменной предельной растворимости в твердом состоянии.

α- ограниченный твердый раствор компонента Сu в компоненте Ag.

β - ограниченный твердый раствор компонента Ag в компоненте Cu.

В заэвтектических сплавах. Максимальное содержание компонента Cu в фазе α определяется точкой Е и при охлаждении снижается до точки G . Поэтому при охлаждении от точки E до G точки, происходит выделение компонента Cu виде вторичных кристаллов β-фазы. Конечная структура сплава будет α+βII. В эвтектическом сплаве в точке Ж превратится в эвтектику Жα+β. При охлаждении в интервале температур ниже точки состав α-фазы меняется по линии EG , в результате чего выделяются вторичные кристаллы β, а состав β-фазы меняется по линии DF , выделяются вторичные кристаллы α. При комнатной температуре состав эвтектики будет иметь четыре слагаемых Жэвтектика(α+βII+β+αII).

Н.С. Курнаков показал определенную зависимость между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния и свойствами сплава (твердостью, электропроводностью и.т.д.).

Свойства сплава зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава (рис. 6).

При образовании непрерывного ряда твердых растворов свойства (твердость, электропроводность и др.) изменяются по криволинейной зависимости (рис.6).

Т
Рис. 6
вердость компонентов Cu и Ag ниже, чем твердость сплавов. При образовании смесей свойства сплава изменяются по линейному закону (аддитивно). Значение свойств сплавов находятся в интервале между свойствами чистых компонентов. В сплавах с ограниченной растворимостью свойства при концентрациях, отвечающих однофазовому твердому раствору изменяются по криволинейной зависимости, а в двухфазовой области – по прямой. Крайние точки на прямой являются свойствами предельно насыщенных твердых растворов. При образовании химического соединения на кривой концентрация – свойства, будет иметься максимум (или минимум) – а на прямой перелом.

Зная характер взаимодействия между двумя металлами и тип диаграммы состав – свойства, можно легче и быстрее определить состав сплава, обеспечивающий наилучшие свойства.
^

3. Для чего применяется отжиг в процессе изготовления холоднокатанной стальной ленты? Как называется такой вид отжига?


В процессе изготовления холоднокатанной стальной ленты образуется наклеп. Наклеп может оказаться столь большим, что сталь становится мало пластичной и дальнейшая деформация становится невозможной. Для возвращения стали пластичности и возможности дальнейшей деформации изделия проводят рекристализационный отжиг.

При нагреве холоднодеформированной (наклепанной) стали до температуры 400—450 °С изменений в строении стали не происходит, механические свойства изменяются незначительно и только снимается большая часть внутренних напряжений. При дальнейшем нагреве механические свойства стали резко изменяются: твердость и прочность понижаются, а пластичность повышается. Это происходит в результате изменения строения стали. Вытянутые в результате деформации зерна становятся равноосными.

Рекристаллизация начинается с появления зародышей на границах деформированных зерен. В дальнейшем зародыши растут за счет деформированных зерен, в связи с чем происходит образование новых зерен, пока деформмированных зерен совсем не останется.

Под температурой рекристаллизации подразумевается температура, при которой в металлах, подвергнутых деформации в холодном состоянии, начинается образование новых зерен.

А. А. Бочвар установил зависимость между температурой рекристаллизации и температурой плавления металлов: Трекр = 0,4Тпл (Рис. 7), где Трекр и Тпл — соответственно температуры рекристаллизации и плавления в Кельвинах по термодинамической шкале.



В зависимости от степени деформации размер зерна стали после рекристаллизации получается различный. При определенной степени деформации (для стали 7—15 %) после рекристаллизации получаются очень большие зерна. Такая степень деформации называется критической степенью деформации.

Во избежание сильного роста зерна при рекристаллизации деформацию стали заканчивают со степенью обжатия, больше чем критическая степень деформации, или проводят отжиг с полной фазовой перекристаллизацией.

Рекристаллизационный отжиг может применяться как предварительная, промежуточная, так и как окончательная термообработка. Как предварительная термообработка он применяется перед холодной деформацией, если исходное состояние металла неравновесное и имеет какую-то степень упрочнения. Как промежуточная операция рекристаллизационный отжиг применяется между операциями холодной деформации, если суммарная степень деформации слишком велика и запасов пластичности металла не хватает.

Как окончательный вид отжига его применяют в том случае, если потребитель требует поставки полуфабрикатов в максимально пластичном состоянии. В этом случае вместо рекристаллизационного отжига используют его разновидность - отжиг на полигонизацию. Отжиг на полигонизацию проводят при температуре, которая ниже температуры начала рекристаллизации. Соответственно при такой температуре происходит лишь частичное устранение наклепа за счет процессов возврата второго рода, т.е. происходит уменьшение плотности дефектов кристаллической решетки, образование ячеистой дислокационной структуры без изменения формы зерен. Степень уменьшения наклепа зависит, прежде всего, от температуры. Чем ближе температура к порогу рекристаллизации, тем меньше наклеп, тем больше пластичность и наоборот.

4. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 00 до 16000 С (с применением правила фаз) для сплава. содержащего 2,3%С. Для заданного сплава при температуре 12500 С определите: состав фаз, т.е. процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношение фаз.




2,3%

1

2

3

4

ЦII

t2-t1

Ф

1

2

2'

3'

3

4

t, 0C

7270C

11470C

Ф

t2

А+Ц

ЦII

t3-t2

А

А+Ж

t3

Ц

Ж

t4-t3

А

Ж

a

b

c



Рис. 8


От 00С до 7270 С этот сплав (сталь, содержащая 2,3% углерода ) имеет две структурные составляющие: цементит и перлит. При рассмотрении можно увидеть зерна перлита и пластины цементита. Сплав постепенно насыщается углеродом, перлит превращается в аустенит .С температуры t=7270С сплав полностью изменяет свою структуру и состоит из аустенита и цементита. При t=727°С сплав имеет структуру аустенит-цементит. Линия PSK соответствует температуре, при которой происходит вторичная кристаллизация. Постепенно с линии превращения цементита при повышении температуры предельная концентрация углерода в аустените увеличивается. Этот процесс продолжается до t=l1470 С. На линии солидуса AECF сплав с содержанием 2,3 %С из аустенита начинает выделять жидкий сплав.
Определим при t=12500 C количественное соотношение фаз:

ab = cb + ac




5. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали и нанесите на нее кривую режима изотермического отжига. Опишите превращения и получаемую после такой обработки структуру.


Изотермический отжиг - нагрев выше кристаллической точки А , выдержка, быстрое охлаждение до 620-6800С, выдержка 3-6 часов для полного распада аустенита, охлаждение на воздухе.

Цель: снижение твердости, улучшение обрабатываемости резанием. Подвергают штамповки, поковки, заготовки инструмента, детали после цементации.

Рис. 9


При образовании перлита из аустенита ведущей фазой является цементит. Зарождение центров кристаллизации цементита облегчено на границе аустенитных зерен. Образовавшаяся пластинка цементита растет, удлиняется и обедняет соседние области с углеродом. Рядом с ней образуются пластинки феррита. Эти пластинки растут как по толщине, так и по длине. Рост образовавшихся колоний перлита продолжается до столкновения с кристаллами перлита, растущими из других центров (Рис. 10).



Рис. 10

^

Список литературы


  1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528с.: ил.

  2. Материаловедение: Методическое руководство к лабораторным работам / С.П. Шатило, Н.Н. Прохоров, Г.Ф. Бабюк и др.; Под общ. ред. С.П. Шатило. - Нижневартовск: Изд-во Нижневарт. гуманит. ун-та, 2007. - 117с.

  3. Металловедение: Учебник для техникумов. Самохоцкий А.И., Кунявский М.Н., Кунявская Т.М., Парфеновская Н.Г., Быстрова Н.А. - М.:Металлургия, 1990. 416с.

  4. http://www.inmetal.ru

  5. http://sopromatstudentam.narod.ru

  6. http://www.mtomd.info.



Скачать файл (1316 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru