Домашнее задание по «Материаловедение»

Федеральное государственное  образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Национальный исследовательский  технологический университет «МИСиС»

 Новотроицкий филиал

 

Кафедра металлургических технологий

 

 

 

 

 

 

 

 

Домашнее задание по дисциплине «Материаловедение»

Вариант 12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                            

 

 

 

 

Выполнил: Д.С. Ромашов

Группа  25

Проверил:   А.А. Веселвский

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новотроицк

2010

 

1. Постройте с применением правила фаз кривую нагревания для свинца.

2. Вычертите диаграмму состояния магний-кальций. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твёрдом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов данной системе с помощью правил Курнакова.

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. приведен обобщенный вариант  диаграммы состояния Mg-Ca. В сплавах системы образуется одно конгруэнтно-плавящееся при 715 °С соединение Mg2Ca. Это соединение образует две эвтектики: (Mg) + Mg2Ca и Mg2Ca + βСа), кристаллизующиеся, соответственно, при температурах 516,5 и 445 °С. Растворимость Са в Mg при эвтектической температуре достигает 0,83 % (ат.). Mg практически не растворяется в Са. Кристаллическая структура соединения Mg2Ca гексагональная типа MgZn2 (фаза Лавеса), а - 0,623 нм, с = 1,012 нм.

 

3. Как изменяется блочная (мозаичная) структура при нагреве предварительно деформированного металла? В чём сущность процесса полигонизации?

Если нагреть Ме (Т<Т_р) то будет происходить процесс возврат (отдых). В результате возврата плотность дислокаций не изменится, но они перераспределятся, в результате часть внутренних напряжений уменьшится. Отдыхом холоднодеформированного металла называют стадию возврата, при которой уменьшается количество точечных дефектов, в основном вакансий; в ряде металлов, таких, как алюминий и железо, отдых включает также переползание дислокаций, которое сопровождается взаимодействием дислокаций разных знаков и приводит к заметному уменьшению их плотности. Перераспределение дислокаций сопровождается также уменьшением остаточных напряжений. Отдых уменьшает удельное электрическое сопротивление и повышает плотность металла. В общем, твердость и прочность максимально уменьшаются на 10-15% первоначальных значений и соответственно увеличивается пластичность. После отдыха повышается сопротивление коррозионному растрескиванию. Структура остается волокнистой.

Полигонизация — перестройка и упорядочивание дислокационной структуры металлов. Она  приводит к образованию субзёренных границ.

Одним из видов полигонизации является динамическая полигонизация, происходящая при горячей обработке металлов (прокатка, ковка и т. п.). На первом этапе происходит образование т. н. «ячеистой» структуры. Затем при упорядочивании дислокационных стенок происходит образование малоугловых субграниц. В результате ячеистая структура превращается в вытянутые субзёрна. Дальнейшее развитие динамической полигонизации приводит к появлению субграниц, перпендикулярных полученным на предыдущем этапе. Это приводит к образованию равноосных субзёрен. Дальнейшая последеформационная выдержка или повышение температуры приводят к рекристаллизации, то есть увеличению угла разориентировки между субзёрнами и их превращению в зёрна. В сталях с ванадием выделение карбида ванадия VC по этим границам блокирует их, и последующая рекристаллизация не идет. Аналогичный эффект происходит при легировании ниобием, хромом и другими карбидо- и нитридообразующими элементами. Механизм динамической полигонизации является основным при термомеханической обработке металлов.

4. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600⁰ до 0⁰С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 1,2%С. Выберите для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите: состав фаз, т.е. процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношения фаз.

 

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод  начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов  по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-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 ЖР_4,3 Л[А_2,14+Ц_6,67]. 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 γ - железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости 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 эвтектоидная смесь состоящая 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 А_0,8 П[Ф_0,03+Ц_6,67].

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 727ºС имеют  структуру феррит + перлит и заэвтектоидные – перлит + цементит вторичный в  виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (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 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает  зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и 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 1,2%С, называется заэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной  температуре – Перлит + Цементит.

5. С помощью диаграммы состояния железо-карбид железа определите температуру полной и неполной закалки для стали 45 и дайте краткое описание микроструктуры и свойств стали после каждого вида термической обработки.

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (А_с3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Температура точки А_с3 для стали 45 составляет 755°С.

Если доэвтектоидную сталь нагреть  выше А_с1, но ниже А_с3 (неполная закалка), то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 740°С (ниже точки А_с3) структура стали 45 – аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали – мартенсит + феррит.

Доэвтектоидные стали  для полной закалки следует нагревать  до температуры на 30-50°С выше А_с3. Температура нагрева стали под полную закалку, таким образом, составляет 800-840°С. Структура стали 45 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.