Контрольная работа по материаловедению
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 14 Июня 2013 в 18:59, контрольная работа
Описание работы
1. Опишите линейные несовершенства кристаллического строения. Как они влияют на свойства металлов и сплавов?
2. В чем различие между упругой и пластической деформацией? Между хрупким и вязким разрушением?
3. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?
Файлы: 1 файл
Материаловедение. Контрольная работа.
1
Информация об авторе:
Автор:
Поляков Андрей Валерьевич
Web:
http://www.avprog.narod.ru
e-mail:
avprog@narod.ru
Страница документа:
http://www.avprog.narod.ru/student/mv_01.htm
ВНИМАНИЕ!
Все права на данный документ принадлежат Полякову Андрею Валерьевичу. Никакая часть
данного документа не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без
согласования с автором.
Информация, содержащаяся в данном документе, получена из источников, рассматриваемых
автором как надѐжные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические
ошибки, автор не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых
сведений и не несѐт ответственности за возможные ошибки и ущерб, связанные с
использованием этого документа.
1. РАЗРЕШЕНИЯ
Разрешается использование документа в ознакомительных и образовательных целях, а
также бесплатное распространение документа, если это не противоречит правилам раздела
«2. ОГРАНИЧЕНИЯ».
2. ОГРАНИЧЕНИЯ
Запрещается использование документа в коммерческих целях (продажа, включение в состав
платных продуктов и т.п.). Запрещается размещение документа на любых Интернет-
ресурсах. Запрещается вносить изменения в текст документа.
Данный документ является бесплатным. Однако если вы захотите выразить благодарность автору за
его труды в виде денежного вознаграждения, то можете перечислить деньги на любой из следующих
счетов:
WebMoney:
R195975572634
Z167111238420
B180729885812
Яндекс.Деньги:
4100188102149
Я не гордый, с благодарностью приму любую сумму
Если же на вашем счѐте унылые нули или у вас вообще нет электронного кошелька, то создайте
электронный кошелѐк и заработайте свои первые деньги в Интернете. Как это сделать, описано
на сайте:
http://how-get-wm.narod.ru
Материаловедение. Контрольная работа.
2
Ссылки
http://www.tz-5133.narod.ru
Всѐ для студента: Методички, книги, статьи, программы, рефераты, контрольные, курсовые
и прочая полезная информация.
http://www.avprog.narod.ru
Автоматизация, программирование, телефония, электроника и другая полезная информация.
http://www.av-physics.narod.ru
Интерактивный учебник по физике.
http://av-photography.narod.ru
Фотографии, которые можно использовать как обои для рабочего стола. Также есть описание
бесплатного графического редактора GIMP.
"Чайникам" о компьютерах
Книга о компьютерах для начинающих.
Интернет для начинающих
Книга об Интернете для начинающих.
Как стать программистом?
Книга о том, как писать программы и что такое программы вообще.
Заработок в Интернете как точная наука
Книга о том, можно ли заработать в Интернете, и если можно, то как и сколько.
Материаловедение. Контрольная работа.
3
Задание 1.
Опишите линейные несовершенства кристаллического строения. Как
они влияют на свойства металлов и сплавов?
В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты
(несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают
влияние на свойства металлов. Различают следующие структурные
несовершенства:
точечные – малые во всех трех измерениях
линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем
поверхностные – малые в одном измерении
Линейные дефекты:
Основными линейными дефектами являются дислокации.
Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и
вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных
плоскостей.
Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается
внутри кристалла край «лишней» полуплоскости (рис. 1.1)
а)
б)
Рис. 1.1. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)
Неполная плоскость называется экстраплоскостью.
Материаловедение. Контрольная работа.
4
Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее
образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать
кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней
на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем
вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.
Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место
вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края
экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль
края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут
быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 1.2).
Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая
дислокация – положительная ( ), если в нижней, то – отрицательная (Т).
Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.
Рис. 1.2. Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой
дислокации
Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название
винтовая дислокация.
Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по
плоскости Q вокруг линии EF (рис. 1.3) На поверхности кристалла образуется
ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг
нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну
атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг
линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости
скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался.
Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области
несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько
периодов.
Материаловедение. Контрольная работа.
5
Рис. 1.3. Механизм образования винтовой дислокации
Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по
часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой
стрелки – левая.
Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она
может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию
дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не
стекают.
В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или
раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному
механизму роста кристалла.
Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла. Они должны либо
быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько
дислокаций. Либо выходить на поверхность кристалла.
Дислокационная структура материала характеризуется плотностью
дислокаций.
Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий
дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м
2
, или как
суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м
3
Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от
состояния материала.
Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и
прочность материала (рис. 1.4).
Материаловедение. Контрольная работа.
6
Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций
2
7
5
м
10
...
10
Если плотность меньше значения а, то сопротивление деформированию резко
возрастает, а прочность приближается к теоретической. Повышение
прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а
также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. При
упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна
превышать значений 10
15
…10
16
м
–2
. В противном случае образуются
трещины.
Рис. 1.4. Влияние плотности дислокаций на прочность
Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие
свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает
внутреннее сопротивление, изменяются оптические свойства, повышается
электрическое сопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю
скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы,
уменьшают химическую стойкость.
Материаловедение. Контрольная работа.
7
Задание 2.
В чем различие между упругой и пластической деформацией? Между
хрупким и вязким разрушением?
Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и
пластической.
Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия
вызывающих ее напряжений.
При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами
металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину,
вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на
прежние места, и деформация исчезает.
Пластической или остаточной называется деформация после прекращения
действия вызвавших ее напряжений.
При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по
отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии
нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация.
Процесс деформации при достижении высоких напряжений завершается
разрушением. Тела разрушаются по сечению не одновременно, а вследствие
развития трещин. Разрушение включает три стадии: зарождение трещины, ее
распространение через сечение, окончательное разрушение.
Различают хрупкое разрушение – отрыв одних слоев атомов от других под
действием нормальных растягивающих напряжений. Отрыв не
сопровождается предварительной деформацией. Механизм зарождения
трещины одинаков - благодаря скоплению движущихся дислокаций перед
препятствием, что приводит к концентрации напряжений, достаточной для
образования трещины. Когда напряжения достигают определенного
значения, размер трещины становится критическим и дальнейший рост
осуществляется произвольно.
Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся трещина.
Величина зоны пластической деформации в устье трещины мала. Скорость
распространения хрупкой трещины велика - близка к скорости звука
(внезапное, катастрофическое разрушение). Энергоемкость хрупкого
разрушения мала, а работа распространения трещины близка к нулю.
Материаловедение. Контрольная работа.
8
Результатом хрупкого разрушения является блестящий светлый
кристаллический излом с ручьистым строением. Хрупкая трещина
распространяется по нескольким параллельным плоскостям. Плоскость
излома перпендикулярна нормальным напряжениям.
Вязкое разрушение – путем среза под действием касательных напряжений.
Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация.
Трещина тупая раскрывающаяся. Величина пластической зоны впереди
трещины велика. Малая скорость распространения трещины. Энергоемкость
значительная, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и
на пластическую деформацию. Большая работа затрачивается на
распространение трещины. Поверхность излома негладкая, рассеивает
световые лучи, матовая (волокнистый) излом. Плоскость излома
располагается под углом.
По излому можно определить характер разрушения.
Материаловедение. Контрольная работа.
9
Задание 3.
Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите
структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите
превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила
фаз) для сплава, содержащего 0,5% С. Какова структура этого сплава
при комнатной температуре и как такой сплав называется?
Основные понятия в теории сплавов.
Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения. В
металловедении системами являются металлы и металлические сплавы.
Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав –
сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.
Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов
выступают чистые вещества и химические соединения, если они не
диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.
Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы
поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства
резко меняются.
Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и
внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно
изменять без изменения количества фаз в системе.
Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение
одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз.
Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы
изменять нельзя без изменения числа фаз в системе
Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом
фаз (Ф) и вариантностью системы (С). Это правило фаз или закон Гиббса
С = К – Ф + 2
Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то
число переменных уменьшится
С = К – Ф + 1
где: С – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз, 1 –
учитывает возможность изменения температуры.
Материаловедение. Контрольная работа.
10
Процессы кристаллизации сплавов изучаются по диаграммам состояния.
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение
состояния сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и
температуры. Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, т.е.
состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной
энергии, и поэтому ее также называют диаграммой равновесия, так как она
показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы.
Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи
термического анализа. В результате получают серию кривых охлаждения, на
которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки
перегиба и температурные остановки.
Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют
критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия,
например, точки отвечающие началу кристаллизации называют точками
ликвидус, а концу кристаллизации – точками солидус.
На рисунке представлена диаграмма состояния железо – карбид железа
(цементит) и кривая охлаждения для сплава, содержащего 0,5% углерода.
Она отражает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от
чистого железа до цементита.
1600
1539
1500
1400
1300
1200
1100
911
900
800
700
600
1000
Ж
A
H
B
J
N
E
C
D
F
K
L
S
P
M
O
G
1392
Ж+Ф
Ф
Ф+А
А+Ф
Ф
Ф+Ц
(третичный)
Ф+П П
Ц+П
П+Ц+Л
Э
Ц+Л
Ж+А
А
Ж+Ц
(первичный)
А+Ц+Л
Ц+Л
А+Ц
(вт.)
1147
727
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 % Fe C
3
0
0,8 1
2 2,14
3
4 4,3
5
6
6,67 7 % C
Ж - жидкость
Ц - цементит
Э - эвтектика (ледебурит)
Ф - феррит
Л - ледебурит
А - аустенит
П - перлит
0,5%С
1
2
768
3
4
4
Рис. 3.1. Диаграмма состояния железо - карбид железа (цементит).
Материаловедение. Контрольная работа.
11
Система железо-цементит. Компоненты:
Железо - металл, температура плавления его 1539
0
С. Железо известно в
двух полиморфных модификациях и .
-железо существует при значениях температур ниже 911
0
С и выше 1392
0
С, причем в интервале температур 1392-1539
0
С -железо обычно
обозначается как -железо. До значения температуры 768
0
С -железо
магнитно (ферромагнитно). При температуре 768
0
С происходит переход
(магнитное превращение) из ферромагнитного состояния в парамагнитное.
-железо существует в интервале температур 911-1392
0
С, оно
парамагнитно.
Углерод - неметаллический полиморфный элемент с температурой
плавления 3500
0
С. Он растворим в железе в жидком и твердом состояниях.
Также существует в виде химического соединения - цементита.
Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом - карбид железа
Fe
3
C c содержанием углерода 6,67%. Температура плавления цементита
1250°С.
Система железо-цементит. Фазы:
Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в
любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.
Феррит (Ф) – твѐрдый раствор углерода в -железе. Различают
низкотемпературный -феррит с растворимостью углерода до 0,02% и
высокотемпературный -феррит с предельной растворимостью углерода
0,1%.
Аустенит (А) – твѐрдый раствор углерода в -железе. Предельная
растворимость углерода в -железе 2,14%.
Цементит – характеристика дана выше.
Материаловедение. Контрольная работа.
12
Система железо-цементит. Структурные составляющие:
область жидкости (жидкий раствор углерода в железе) существует
выше линии ликвидус (линия ABCD).
АВН – жидкая фаза + феррит (твердый раствор углерода в -железе).
HJH – феррит + аустенит (твердый раствор углерода в -железе).
AHN – феррит .
BCEJ – жидкая фаза + аустенит.
CDF – жидкая фаза + первичный цементит (цементит, образующийся из
жидкой фазы – первичный цементит).
NJESG – аустенит.
GPQ – феррит.
GSP – аустенит + феррит (по линии ОМ разделяется на парамагнитный
и ферромагнитный).
ECFKS – аустенит + вторичный цементит (в пределах концентрации
углерода от 0,8% до 2,14%).
Аустенит + вторичный цементит + ледебурит - в пределах
концентрации углерода от 2,14% до 4,3%.
Вторичный цементит, выделяющийся из аустенита.
Первичный цементит + ледебурит (при концентрациях углерода свыше
4,3%).
PSKLQ – феррит + третичный цементит.
Третичный цементит, выделяющийся из феррита (при концентрациях
углерода до 0 02%)
Феррит + перлит (перлит – механическая смесь двух фаз – феррита и
цементита), (при концентрациях углерода от 0,02 до 0,8%)
Вторичный цементит + перлит (при концентрации углерода от 0,8 до
2,14%)
Перлит + вторичный цементит + ледебурит (при концентрации
углерода от 2,14 до 4,3%)
Первичный цементит + ледебурит (при концентрации углерода свыше
4,3%).
DFKL – цементит Fe
3
С (концентрация углерода 6,67%).
Превращения при кристаллизации сплава, содержащего 0,5 %
углерода.
Линия АВСD – ликвидус системы. На участке ВС начинается кристаллизация
аустенита. Состав жидкой фазы в интервале температур кристаллизации
определяются линией ВС, а аустенита - линией JE. Кристаллизация
аустенита протекает при изменении температуры. При переходе линии
ликвидус сплав имеет двухфазное состояние и на кривой охлаждения при
значении температуры в точке 1 отмечается перелом.
На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. Аустенит достигает
предельной концентрации, соответствующей точке 2 кривой охлаждения.
Оставшаяся жидкость затвердевает и начинается процесс охлаждения в
твердом состоянии.
Материаловедение. Контрольная работа.
13
По линии GS происходит превращение аустенита в феррит, обусловленное
полиморфным превращением железа.
По линии PSK идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что
аустенит превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита
вторичного - растворимость углерода уменьшается, поэтому из аустенита
начинает выделяться избыточный компонент в виде кристаллов цементита.
Эвтектоидный распад аустенита протекает при постоянной температуре, так
как при наличии трех фаз – аустенита (0,8%С), цементита (6,67%С) и
феррита (0,02%С) система нонвариантна (С=0)
С=2+1-3=0. На кривой охлаждения наблюдается площадка.
При окончательно охлажденном сплаве (ниже 727°С и до комнатной
температуры), структура сплава состоит из перлита и феррита.
Сталь, содержащая 0,5% углерода, называется доэвтектоидной.
Материаловедение. Контрольная работа.
14
Задание 4.
Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для
стали У8, нанесите на нее кривую режима изотермической обработки,
обеспечивающей получение твердости 50 HRC. Укажите, как этот режим
называется, опишите сущность превращения и какая структура
получается в данном случае.
Сталь У8 содержит 0,8% углерода, т.е. является эвтектоидной. Диаграмма изотермического
превращения аустенита для этой стали приведена на рисунке.
t, C
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-100
A
M
M
1
н
к
Аустенит устойчивый
0
1
10
10
2
10
3
10
4
10
5
о
c
Кривая охлаждения
Рис. 4.1
Режим изотермической обработки, обеспечивающий получение твердости 50 HRC называется
закалкой.
Закалкой называется вид термической обработки, заключающийся в
нагреве стали до температуры выше критической точки, выдержке и
последующем быстром охлаждении со скоростью не ниже критической.
Нагрев при закалке производится для перевода всей исходной структуры или
определенной ее части в аустенит, который является исходной фазой для
получения конечной структуры закаленной стали.
Материаловедение. Контрольная работа.
15
Выдержка необходима для выравнивания температуры по сечению детали и
для полного установления необходимого фазового состояния.
Охлаждение при закалке должно производиться со скоростью не меньше
критической для того, чтобы предотвратить протекание диффузионных
процессов и переохладить весь исходный аустенит до температурного
интервала мартенситного превращения.
Критическая скорость охлаждения (закалки) – это минимальная скорость
охлаждения, при которой предотвращается диффузионный распад
переохлажденного аустенита.
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".
Заэвтектоидные и эвтектоидную стали нагреваются при закалке до
температуры:
t
зак
= Ас
1
+ (30 – 50), °С
Исходя из этого определяется положение оптимального интервала
температур закалки углеродистых сталей.
Продолжительность нагрева и выдержки определяется размерами и
конфигурацией деталей и способом их укладки в печи. Она должна быть
такой, чтобы прошло выравнивание концентрации углерода в аустените.
Обычно общее время нагрева и изотермической выдержки составляет 1-1,5
мин на мм наибольшего поперечного сечения.
Углеродистые стали обладают большой критической скоростью охлаждения
(закалки) и поэтому для них, как правило, в качестве охлаждающей среды
выбирают воду при нормальной температуре.
Закалочное охлаждение эвтектоидной и доэвтектоидных сталей происходит
из однофазной аустенитной области, поэтому структура этих сталей после
закалки будет представлять мартенсит с небольшим количеством остаточного
аустенита.
Материаловедение. Контрольная работа.
16
Задание 5.
С помощью диаграммы состояния железо – цементит опишите
структурные превращения, происходящие при нагреве стали У12.
Укажите критические точки и выберите оптимальный режим нагрева
этой стали под закалку. Охарактеризуйте процесс закалки, опишите
получаемую структуру и свойства стали.
Структурные превращения, происходящие при нагреве стали У12
До температуры 727
0
С структура сплава состоит из цементита и перлита (см.
рис. 3.1). Здесь начинается превращение перлита в аустенит. Этот процесс
протекает в результате образования зародышей аустенита и последующего
их роста.
На линии PSK (критическая температура А
с1
) завершается процесс
превращения перлита в аустенит. Вновь образовавшийся аустенит
неоднороден даже в пределах одного зерна. Для получения однородного
аустенита необходимо нагреть сталь выше температуры А
с1
.
Между точками А
с1
и А
с2
сплав имеет структуру аустенит + вторичный
цементит. По мере приближения к точке А
с2
концентрация углерода в
аустените увеличивается.
При температурах, соответствующих линии SE (т. А
с2
), аустенит оказывается
насыщенным углеродом, и при повышении температуры сплав имеет
структуру только аустенита. До точки А
с3
в сплаве не происходит никаких
изменений, просто увеличивается температура.
При повышении температуры в точки А
с3
твѐрдый аустенит начинает
плавиться. Структура становится жидкость + аустенит. До точки А
с4
сплав
продолжает плавиться.
В точке А
с4
под влиянием высокой температуры весь аустенит расплавляется.
Структура становится - жидкость.
Температура закалки углеродистой инструментальной сталей У12 должна
быть 760-780
0
С, т.е. несколько выше А
с1
, но ниже А
с2
для того, чтобы в
результате закалки сталь получила мартенситную структуру и сохранила
мелкое зерно и нерастворенные частицы вторичного цементита. Закалку
проводят в воде или водных растворах солей. Мелкий инструмент из стали
У12 для уменьшения деформаций охлаждают в горячих средах (ступенчатая
закалка).
Отпуск проводят при 150-170
0
С для сохранения высокой твѐрдости (62-63
HRC).
Материаловедение. Контрольная работа.
17
Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, свѐрла, спиральные пилы,
шаберы, ножовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический
инструмент и т.д.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12 и
У13), у которых после термической обработки структура мартенсит и
карбиды.
Информация о работе Контрольная работа по материаловедению