Контрольная работа по "Материаловедению"

Контрольная работа №1 

Вопрос  №7. Что такое твердый раствор? Виды Твердых растворов, примеры. Какими стандартными характеристиками механических свойств оценивается пластичность металлов и сплавов? Как они определяются? 

Твердые растворы - твердые однородные кристаллические или аморфные фазы переменного состава, состоящие из двух или большего числа компонентов, сохраняющие однородность при изменении соотношений между компонентами (неограниченно или в определенных пределах)" 

Способность образовывать твёрдые растворы свойственна всем кристаллическим твёрдым телам. В большинстве случаев она ограничена узкими пределами концентраций, но известны системы с непрерывным рядом твёрдых растворов (например, Cu—Au, Ti—Zr, GaAs—GaP). По существу, все кристаллические вещества, считающиеся чистыми, представляют собой твёрдые растворы с очень малым содержанием примесей. 

Различают три вида твердых растворов: -

А)твердые  растворы замещения;

Б)твердые  растворы внедрения;

В)твердые растворы вычитания. 

     Твердые растворы замещения образуются, когда один сорт атомов или ионов замещается на другой незакономерно (беспорядочно) размещаясь в одной и той же атомной позиции в кристаллической структуре. Все рассмотренные выше примеры являются примерами твердых растворов замещения. По такому же механизму происходит замещение Fe на Zn в структуре железистого сфалерита - марматита (Zn,Fe)S.

     Твердые растворы внедрения образуются в  результате интерстициальных замещений, когда в структуре минерала имеются значительные пустоты (интерстиции), как, например, в структуре кольцевого силиката - берилла: Be Al Si O . В гексагональные каналы, образуемые кольцами Si O в структуре этого минерала, могут внедряться значительные количества K, Rb, Cs, H2O, обнаруживаемые при химическом анализе образцов.

     Твердые растворы вычитания известны для  дефектных структур, в которых  отдельные структурные позиции заняты не полностью. Появление вакансий связано, как правило, с присутствием ионов переменной валентности (Fe, Mn). Наиболее известным примером этого типа замещений является пирротин (Fe S). Наблюдаемые в этом минерале колебания состава от Fe S до Fe S объясняются тем, что в его кристаллической структуре, образуемой плотнейшей гексагональной упаковкой из атомов серы, часть атомов железа находится в форме Fe , компенсируя недостаток ионов Fe  

     Основными характеристиками механических свойств  металла являются прочность, упругость, пластичность, вязкость, твердость.

     Пластичность  — способность металла деформироваться без разрушения. При растяжении пластические свойства металла характеризуются относительными удлинением и сужением образца, которые взаимосвязаны, так как удлинение образца сопровождается уменьшением площади его поперечного сечения. Относительное удлинение σ — отношение приращения длины образца после разрыва к его начальной длине, выраженное в процентах. Относительное сужение ψ - отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах. 

     Для оценки вязкости металла и установления его склонности к переходу в хрупкое  состояние выполняют ударные  испытания надрезанных образцов на маятниковом копре. При этом характеристикой  вязкости является ударная вязкость KC=A / F , где А - работа, затраченная на разрушение образца; F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

     Методы  определения механических свойств  металлов разделяют на:

     - статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);

     - динамические, когда нагрузка растет  с большой скоростью (испытания  на ударный изгиб);

     - циклические, когда нагрузка многократно  изменяется по величине и направлению (испытания на усталость). 

     Испытание на растяжение:

     При испытании на растяжение определяют предел прочности (σв), предел текучести (σт), относительное удлинение (δ) и относительное сужение (ψ). Испытания проводят на разрывных машинах c использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей (расчетной) длиной lo. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 1). На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат – значение нагрузки, которая прилагается к образцу.

     

     Рис. 1

     Предел  прочности (σв) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Pmax/Fo). 

     Испытание на твердость:

     Твердость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела – индентора. Твердость материала определяют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора

     Твердость металла по Бринеллю указывается  буквами НВ и числом. Для перевода числа твердости в систему СИ пользуются коэффициентом К = 9,8 • 106, на который умножают значение твердости по Бринеллю: НВ = НВ • К, Па. 

     Метод определения твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для  сталей с твердостью свыше НВ 450 и  цветных металлов с твердостью более 200 НВ.  

     Для различных материалов установлена  корреляционная связь между пределом прочности (в МПа) и числом твердости  НВ: σв ≈  3,4 НВ - для горячекатаных  углеродистых сталей; σв ≈ 4,5 НВ - для  медных сплавов, σв ≈ 3,5НВ - для алюминиевых  сплавов.  

     Определение твердости методом Роквелла осуществляют путем вдавливания в металл алмазного конуса или стального шарика. Прибор Роквелла имеет три шкалы – А,В,С. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы А и С), а шарик – для испытания мягких материалов (шкала В). В зависимости от шкалы твердость обозначается буквами HRB, HRC, HRA и выражается в специальных единицах. 

     При измерении твердости по методу Виккерса производят вдавливание в поверхность  металла (шлифуемую или полируемую) четырехгранной алмазной пирамиды. Этот метод применяют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, которые имеют высокую твердость (например, после азотирования). Твердость по Виккерсу обозначают HV 

     Испытание на ударную вязкость:

     Ударная вязкость характеризует способность  материала оказывать сопротивление  динамическим нагрузкам и проявляющейся  при этом склонности к хрупкому разрушению. Для испытания на удар изготовляют  специальные образцы с надрезом, которые потом разрушают на маятниковом копре. По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость. Она определяется отношением работы разрушения образца к площади его поперечного сечения и измеряется в МДж/м . 

     Испытание на усталость:

     Усталость – процесс постепенного накопления повреждений материала под действием  повторно-переменных напряжений, которые  приводят к образованию трещин и  разрушений. Усталость металла вызывается концентрацией напряжений в отдельных его объемах (в местах скопления неметаллических и газовых включений, структурных дефектов). Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.  

     Испытания на усталость проводят на машинах для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, или на машинах для испытаний на растяжение-сжатие, или на повторно-переменное скручивание. В результате испытаний определяют предел выносливости, который характеризует сопротивление материала усталости. 

     Предел  выносливости – максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения после базового количества циклов нагружения. 
 

     Вопрос  №17. Вычертите диаграмму состояния железо-карбит железа и укажите на ней температуру закалки стали 55 в воде. Постройте кривую охлаждения образовавшейся структуры.

     Диаграмма железоуглеродистых сплавов может  быть представлена в двух вариантах: метастабильном, отражающем превращения  в системе “железо-карбид железа”, и стабильном, отражающем превращения в системе “железо-графит”. Наибольшее практическое значение имеет диаграмма состояния “железо-карбид железа”, т.к. для большинства технических сплавов превращения реализуются по этой диаграмме.

     Карбид  железа (Fe3C) называют цементитом, поэтому  метастабильную диаграмму железоуглеродистых сплавов называют диаграммой состояния  “железо-цементит” (Fe-Fe3C).

     Температура закалки определяется исходя из массовой доли углерода в стали и соответствующего ей значения критической точки. Практически критические точки выбирают по справочникам или по диаграмме состояния "железо - цементит".

     Выбор температуры нагрева при закалке  углеродистых сталей проводится по левой  нижней части диаграммы железо —  цементит

     Сталь 55 - Сталь конструкционная углеродистая качественная. (Доэвтектоидная)

     Химический состав в % материала сталь 55:

 

     Температура критических точек материала Сталь 55: 690

     Ac =725, Ac (Ac )=755, Ar (Arc )=750, Ar =690, Mn=320

Диаграмма железо-цементит: 

                                                                        Рис. 2 

     Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30—50° выше верхней критической точки Ас3 [Ас3 + (30—50°)], т. е. выше линии GS диаграммы железо — цементит. Следовательно температура закалки стали 55 ≈ 770-805°С.

     Точка G на рисунке 2.

     При охлаждении в воде и масле, температура  кипения которых ниже температуры  охлаждаемых в них деталей, скорость охлаждения различна в начальном, среднем  и конечном периодах охлаждения и  подразделяется на три стадии: стадия пленочного кипения, стадия пузырчатого кипения, стадия конвективного теплообмена. Режим охлаждения показан на рис.3. Режим охлаждения изотермический (1), полный (2). 

     

     Рис. 3 

     Изотермический  отжиг- для легированных сталей применяют  изотермический отжиг, состоящий в нагреве выше верхней критической точки А3 область избыточного аустенита, выдержке, охлаждении до температуры ниже нижней критической точки А1, выдержке, достаточной для полного превращения аустенита в перлит, и охлаждении до комнатной температуры.

     Вода  охлаждает гораздо быстрее, чем  масло: в 6 раз быстрее при 550—650°  С и в 28 раз быстрее при 200°  С. Поэтому вода применяется для  охлаждения сталей с большой критической  скоростью закалки (углеродистых сталей), а в масле охлаждают стали  с малой критической скоростью закалки (детали из легированных сталей или высокоуглеродистых сталей при тонких сечениях).