Контрольная работа по "Материаловедению"

Уфимский государственный авиационный технический университет

Материаловеденье

Вариант№16

Уфа 2011

1. .Какие процессы протекают при нагреве деформированного металла выше температуры рекристаллизации? Как изменяются при этом структура и свойства?

При холодной деформации металла образуется текстура и происходит его упрочнение , в результате чего металл находится в неравновесном состоянии с повышенной свободной энергией . Восстановительные процессы (или разупрочнение) сводятся в основном к снятию искажений и остаточных напряжений в кристаллах. Так как эти процессы при комнатной температуре для большинства металлов протекают медленно, решающее влияние на эти процессы оказывает температура.

В зависимости от температуры в деформированном металле протекают различные процессы разупрочнения: возврат и рекристаллизация. При пластической деформации при температурах ниже 0,3 ТПЛ протекают преимущественно процессы упрочнения, а при температурах 0.2…0.3 ТПЛ одновременно протекают как упрочняющие, так и разупрочняющие процессы.

Сущность процесса отдыха состоит в том, что при деформировании металла, нагретого до температур (0,20…0,30) ТПЛ , повышается кинетическая энергия атомов, и амплитуда их тепловых колебаний увеличивается, что облегчает возвращение атомов в положения равновесия, происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий). Полигонизация - образование малоугловых границ, в результате образуются субзерна. Полигонизованная структура устойчива и сохраняется почти до предплавильных температур.

Возникающие при пластическом деформировании искажения кристаллической решетки и упругие деформации зерен в значительной степени снимаются, что обеспечивает некоторое снижение остаточных напряжений и частичное восстановление механических и физико-химических свойств металла. В результате протекания возврата твердость и прочность несколько снижаются, а пластичность возрастает, хотя исходных значений они не достигают. Частичное устранение искажений кристаллической решетки при возврате не оказывает влияния на микроструктуру металла: размер и форма зерен не меняется. Возврат не препятствует образованию текстуры при деформации.

При нагреве деформированного металла выше температуры возврата наступает процесс рекристаллизации. Сущность процесса рекристаллизации состоит в зарождении и росте новых зерен. Из зародышей растут новые более или менее равновесные зерна. Новые зерна постепенно увеличиваются в размерах и с течением времени полностью поглощают деформированные зерна. Новые зерна отличаются от старых не только формой, но и более совершенным внутренним строением без существенного искажения кристаллической решетки. Образование и рост новых зерен в процессе деформации с менее искаженной решеткой за счет деформированных зерен называют первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки. Этот процесс заканчивается тогда, когда исчезают все деформированные зерна.

Процесс рекристаллизации является диффузионным процессом; ее скорость зависит от температуры, степени деформации и скорости нагрева. Чем выше температура, степень деформации и скорость нагрева металла, тем выше скорость рекристаллизации.

Температура начала рекристаллизации зависит от степени деформации и других факторов. С увеличением степени деформации температура начала рекристаллизации уменьшается, стремясь к определенному пределу. Наиболее низкую температуру (нижний предел) начала рекристаллизации называют температурным порогом рекристаллизации. ТР=mТПЛ

Для технически чистых металлов m=0,4, для титана 0,37; для меди 0,35 и т. д. Для сплавов твердых растворов этот коэффициент равен 0,5…0,6.

Рекристаллизация проходит также при нагреве холоднодеформированного металла до температуры, превышающей температуру начала рекристаллизации; этот процесс обычно называют рекристаллизационным отжигом, или отжигом; его применяют для снятия упрочнения, полученного при холодной деформации. При длительной выдержке протекает процесс собирательной рекристаллизации: слияние друг с другом и образование весьма крупных зерен. Если какие-то из новых зерен, полученных в результате собирательной рекристаллизации, имеют предпочтительные условия для роста, то эту стадию рекристаллизации называют вторичной. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и наибольшее число очень крупных зерен. Вторичная рекристаллизация, приводящая к разнозернистости структуры, способствует снижению механических свойств металла.

Деформирование металла выше температуры (0,7…0,8)ТПЛ, т. е. выше температуры рекристаллизации, представляет собою горячую деформацию. Она сопровождается одновременным протеканием процессов упрочнения и разупрочнения. Если скорость рекристаллизации больше или равна скорости горячей деформации, то упрочнение металла при деформации полностью снимается. Если скорость горячей деформации больше скорости рекристаллизации, то разупрочнение полностью не осуществляется, и металл получает некоторое упрочнение - горячий наклеп.

2. Вычертите диаграмму состояния железа-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опешите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,3% C. Какова структура этого сплава при комнатной температуре, и как такой сплав называется?

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 911…1392o 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 г/см3) 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

Feα от низких температур до 768°C, эта фаза имеет объемно-центрированную кубическую решетку (о.ц.к), низкую прочность и твёрдость 80 HB, низкий предел текучести, удельный вес 7,8 г/см3, имеет магнитные свойства (ферромагнетик), растворяет углерод 0,006% при 20°C и 0,02% при 727°C. Твёрдый раствор углерода в Feα называется феррит. Свойства феррита близки к свойствам чистого Fe.

 Feβ — о.ц.к., существует от 768°C до 910°C, растворяет углерод в небольших количествах, немагнитен, при 768°C теряет магнетизм, 768°C — точка Кюри, парамагнетик.

В 910-1400°C существует Feγ, с гранецентрированной кубической решеткой (г.ц.к.), это железо немагнитно, растворяет 2,14% C при 1147°C. Раствор углерода в Feγ называется. аустенит, немагнитен, твёрже феррита, достаточно пластичен.

Feδ существует в 1400-1539°C. 1539°C — плавление Fe. Переход Feα→Feγ происходит с изменением объёма (1%) (у α больше V). Fe3C - 6,7% C, твёрдость 800 HB, Fe3C — цементит, при низких температурах магнитен. Fe3C→Fe+ Графит. При 1147°C идёт реакция, в результате которой образуется эвтектика: смесь аустенита и цементита — ледебурит. [А+Ц] - 4,3% C. Феррит+цементит — Перлит. [Ф+Ц] — 0,8% C, твёрдость HB 800. Ла — [А+Ц], Лп — [П+Ц], А→П. 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.

Название сплава:Сталь 30