Контрольная работа по дисциплине: «Материаловедение»

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Волгоградский государственный  технический университет»

ФАКУЛЬТЕТ ПОДГОТОВКИ И ПЕРЕПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРНЫХ КАДРОВ

Кафедра «Автомобильные перевозки»

 

Контрольная работа

по дисциплине: «Материаловедение»

 

 

 

 

Выполнил:

Студент гр.АТЗ-211с

Варавин Д.Ю.

Проверил:

Шморгун В.Г.

 

 

Волгоград, 2013 г

Оглавление

1. Что такое ликвация? Виды ликвации причины их возникновения и способы устранения…………………………………………………………………………..…3

2. Дайте определение ударной  вязкости (KCV). Опишите методику измерения этой характеристики механических свойств металла……………………………13

3. Вычертите диаграмму  состояние железо-карбид железа, укажите структурные составляющие  во всех областях диаграммы,  опишите превращения и постройте  кривую охлаждения ( с применением  правила фаз) для сплава, содержащего  4,5% С. Какова структура этого  сплава при комнатной температуре  и как такой сплав называется? …………………………………………………………………..15

4. Вычертите диаграмму  изотермического превращения аустенита  для стали У8, нанесите на нее  кривую изотермической обработки,  обеспечивающей получение твердости  60…63 HRC. Укажите, как этот режим называется, опишите сущность превращений, и какая структура получается в данном случае………………….19

5. Как изменяется структура  и свойства стали 40 и У12, в  результате закалки от температуры  750 и 850° С. Объясните с применением  диаграммы состояния железо –  цементит. Выберите оптимальный  режим нагрева под закалку  каждой стали………………………………………………………………………………….21

6. Список литературы………………………………………………………………..23

 

 

 

 

1. Что такое  ликвация?  Виды ликвации причины  их возникновения и способы  устранения.

Ликвация— представляет собой свойство сплавов распадаться при переходе из жидкого в твердое состояние на составные части или отдельные соединения, которые имеют различные точки плавления. Металлы вообще сплавляются, т. е. растворяются одни в других. Одни из них, например золото и медь, сплавляются в различных пропорциях и на вид представляют однородное тело; другие же, например свинец и цинк, разделяются при медленном охлаждении. В случае Л. при застывании жидкого металла выделяются и затвердевают сперва самые тугоплавкие тела, затем менее тугоплавкие и, наконец, самые легкоплавкие. Однако выделяемые при этом тела представляют чаще всего не вполне чистые металлы, например сплавы свинца с цинком содержат внизу слитка свинец с 1,6% цинка, а вверху цинк с 1,2% свинца. Иногда еще до начала остывания происходит распадение легко ликвирующих сплавов на части различного состава, которые размещаются соответственно их удельному весу. Если такая неоднородность существует уже в жидком состоянии, то она сохраняется как при быстром, так и при медленном затвердевании. При появлении же неоднородности во время застывания быстрота охлаждения имеет большое значение. Вообще быстрое охлаждение препятствует такому распадению. Если металлы различаются по цвету, то после Л. неоднородность замечается простым глазом в виде отдельных пятен, называемых ликвационными пятнами. Так, например, при сплаве меди с оловом видны беловатого цвета крапинки и пятна на красноватой поверхности излома, состав которых богат оловом. К более сильно ликвирующим сплавам принадлежит сплав свинца с медью, так что из них едва возможно получать однородное литье; затем идут сплавы цинка с оловом, серебра с медью и свинца с оловом. К слабо ликвирующим принадлежат сплавы меди с цинком (латунь), золота с серебром и т. п. Чугун, представляя собой смесь различных соединений железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и т. п., при переходе из жидкого состояния в твердое также подвергается Л. Вследствие различных точек плавления одни из этих соединений выделяются из смеси и застывают раньше, другие позже, и часто поэтому получается неоднородный химический состав в различных частях чугуна. Эта неоднородность замечается даже на глаз в виде выделившихся листочков графита или же в виде более или менее светлых пятен, которых состав разнится от окружающей массы. При застывающих медленно отливках в центральных частях содержание графита и кремния повышается, между тем общее содержание углерода понижается. Очень часто на верхней поверхности отливки встречаются отдельные шарики в виде застывших капель, которые достигают иногда величины горошины. Эти капли, которые состоят из легкоплавкого сплава, остаются долго жидкими и вытесняются сжатием затвердевающей массы на поверхность металла.

В зависимости от масштаба и расположения ликвационных (обогащенных  примесями) участков различают следующие  виды ликвации.

1. Микроскопическая ликвация, наблюдаемая в пределах каждого  зерна или дендрита, она, в свою  очередь, может быть разделена  на два вида:

Рассматривая дефекты  литья на примере стали, будем  иметь в виду, что и в других сплавах они имеют подобный же вид и происхождение.

а) меж кристаллическая  ликвация, когда ликвидирующая жидкость затвердевает в эвтектику, располагающуюся  между дендритами или зернами;

б) внутрикристаллическая  ликвация, когда лик-иирующая жидкость образует твердый раствор, обогащенный  примесью и располагающийся в  наружных слоях зерен твердого раствора.

2. Макроскопическая, или ликвация  в стальном слитке, которая проявляется  в том, что по сечению всего  слитка или части его невооруженным  глазом различают области или  зоны, обогащенные примесями. Этот  вид ликвации также может быть  раздолен на два вида:

а) ликвация по удельному  весу (слоистая), где ликвационная область  располагается в виде слоя верхнего или нижнего по слитку;

б) ликвация зональная, когда  ликвационная область располагается  соответственно зонам кристаллизации, чаще всего занимая центральную  область слитка.

Последняя форма  ликвации, как уже отмечалось, образуется лагодаря несвободному росту кристаллов, возникающих первоначально на корке затвердевающего слитка. Как известно, немедленно при отливке в холодную изложницу (например, чугунную) образуется сперва тонкая зона - корка мелкозернистого металла, которая является основой для дальнейшего формирования слитка.

На этой корке  растут далее длинные шестоватые (столбчатые) кристаллы, образуя зону транскристаллизации, и, наконец, получается центральная область слитка со свободно возникающими и растущими равноосными кристаллами. Жидкость (маточный раствор), остающаяся по мере образования и роста кристаллов, обогащается примесями и, естественно, наибольшее обогащение примесями должно получаться там, где она затвердевает в последнюю очередь, т. е. в центральной области слитка.

При этом, очевидно, что расположение этой центральной  ликвационной области должно быть в  соответствии с внешними очертаниями  слитка (формой изложницы) и зоной  растущих от стенок корки шестоватых кристаллов. Последние, быстро смыкаясь между собой и разрастаясь  в виде сплошной стенки, будут отгонять остающуюся жидкость в центральную  часть слитка.

Сегрегация  примесей в стали. Если обратиться теперь к конкретному примеру какой-либо стали, то легко представить, как должна происходить в ней ликвация. Здесь ликвировать должны как главный компонент С, так и все нормальные примеси (Si, Mn, Р и S). Но степень ликвации у них должна быть различная, о чем можно судить, в первую очередь, по соответствующим диаграммам состояний, а также по скоростям диффузии в железе каждого элемента. (Термин «сегрегация» происходит от латинского слова отделять (segregare) и относится к примесям в сплаве, которые как бы отделяются от основной части сплава, когда в последнем имеет место явление ликвации. Таким образом, можно сказать, что ликвация сплава представляет не что иное, как сегрегацию примесей в нем. Отсюда следует, что термины ликвация и сегрегация должны иметь одно и то же значение, т. е. являются синонимами. Стремление некоторые авторов придать этим терминам различное значение неправильно.)

Из всех указанных  примесей наибольшую степень ликвации должны давать S и Р, а наименьшую - Si и Мп, об этом уже было сказано (§ 56) и в этом нетрудно убедиться, рассматривая начальные области  диаграмм плавкости указанных элементов  с Fe.

Наибольший интервал затвердевания дает S> которая притом почти совсем не диффундирует в твердое Fe и полностью остается в жидкости, затвердевая в виде легкоплавкой эвтектики; последняя, в свою очередь (как уже отмечалось), может давать благодаря коа-лесценции оболочки или включения FeS.

Как сказано выше, при наличии Мп и малом содержании серы имеются включения не FeS, a MnS, которые менее вредны. Но все же и они как неметаллические  включения являются дефектными выделениями в металле и сосредоточиваются так же, как FeS в ликва-ционных местах слитка.

Наибольший интервал затвердевания после S дает Р с Fe, входящий уже в твердый раствор  и, следовательно, диффундирующий в  твердое железо. Но эта диффузия происходит чрезвычайно медленно, почему Р и является весьма сильно ликвирующим  элементом.

Если сравнить с  Р главный компонент стали  С, то ликвация последнего должна быть меньше, так как интервал затвердевания  раствора Fe - С меньше, чем Fe •- Р, и  диффузия С в железо протекает  гораздо быстрее, чем Р. Наконец, такие примеси, как Si и Мп, дают твердые  растворы с минимальным интервалом затвердевания, и практически они  считаются неликвирующими примесями. На самом деле они тоже ликвируют, но весьма незначительно.

Все означенные выше примеси в стали сегрегируют  совместно, и поэтому ликвационные места получаются обычно наиболее опасными и вместе с тем становятся легко  различимыми. Зональную (равно как  и всякую другую) ликвацию без труда  обнаруживают при обычных методах  травления на макроструктуру, так  как в загрязненных примесями  участках металла протравимость  получается обычно иная, чем в зонах  чистого (здорового) металла.

Например, в железных сплавах (стали) при травлении распространенными  реактивами ликвационные части обычно разъедаются сильнее, поэтому они  кажутся более темными. Точно  так же более темный цвет в ликвационных областях получается и при известной  пробе на серу, применяемой при  макроисследовании. Эта проба заключается  в том, что на макрошлиф плотно накладывают смоченную обычно слабой кислотой бромосеребряную бумагу) (какую  применяют в фотографии для печатания  снимков).

Этот способ известен также под названием проба  по Бауману.

При этом сернистые  включения (сульфиды MnS и FeS), взаимодействуя с кислотой и бромистым серебром бумаги, дают черные крапинки сернистогЬ серебра (Ag2S) как раз в тех местах шлифа, где они залегают. Ясно, что  ликвационные места, где сульфидов  количественно больше, будут легко  выявляться сгущением черных точек (подробнее см. практические руководства  по металлографии).

Показан пример зональной  ликвации в стальном слитке, выявленной одним из методов макроскопического  анализа, где ясно отличаем внутреннюю более темную ликвационную область  от наружной светлой зоны вдоль всего  слитка. Такую же ликвационную область  можно наблюдать и на поперечных макрошлифах.

Если в стали  имеет место дендритная (микроскопическая) ликвация, то при травлении ликвационные места будут располагаться между  сердцевиной зерен, имеющей форму  дендритов, и мы получим характерную  дендритную, (сердцевинную) структуру.

Связь между различными видами ликвации. Все виды ликвации, поскольку они обусловлены одним  и тем же процессом избирательного затвердевания, должны иметь между  собой некоторую связь в случае обнаружения их в одном и том  же слитке.

Действительно замечено, что если в слитке наблюдается  хорошо выраженная зональная ликвация или ликвация по удельному весу, то дендритная ликвация в этих зонах  бывает выражена менее ясно, и наоборот, при резко выраженной дендритной ликвации в пределах отдельных кристаллов, образующих слиток, зональная ликвация в нем менее заметна.

Объяснить это нетрудно после приведенного выше объяснения процесса ликвации в каждом случае: дендритная ликвация должна получиться в наибольшей степени тогда, когда  вся остаточная жидкость сосредоточится вокруг первичных дендритов; при  этом, конечно, никакой зональной  ликвации не получится.

Если же образуется резко выраженная ликвационная зона, то значит наиболее обогащенный примесями  маточный раствор отогнан внутрь слитка, и кристаллы наружной зоны являются относительно чистыми, т. е. более  бедными примесями; таким образом, внутрикристаллическая ликвация в  наружной зоне может совершенно отсутствовать  или наблюдаться в незначительной степени.

Зональная ликвация или, точнее, наличие ликвационного  места в слитке, обогащенного опасными примесями (S, Р, О), представляет дефект сплава, так как при этом слиток получается неоднородным и в отдельных  его местах может быть такая концентрация примесей, что металл окажется совершенно негодным по качеству, вызывающим брак полученного слитка или изделия.

Особенно опасна ликвация в тех случаях, когда  ликвационное место попадает на ответственную  часть изделия. Поэтому изучению явления ликвации в сплавах уделяется  много внимания. Напомним, что честь открытия этого важного явления принадлежит нашим соотечественникам - инженерам Лаврову и Калакуцкому, впервые указавшим в 1866 г. на различие в составе внутренних и наружных участков в стальных слитках.

Обратная ликвация. Рассмотренный выше вид зональной  ликвации, когда примесями обогащена  внутренняя область слитка, носит  название нормальной или прямой зональной  ликвации в отличие от обратной, которая иногда наблюдается в  сплавах и заключается в том, что наиболее богатый примесями  остаточный раствор направляется не внутрь слитка, а в наружную его  зону (к поверхности).

Это явление бывает не всегда и не во всех сплавах; оно  имеет место преимущественно  в сплавах, обладающих большим температурным  интервалом затвердевания (т. е. склонных к сильной ликвации) и обязательно  получается при быстром охлаждении.

Обратную ликвацию наблюдают и в стали, и в  чугуне, но особенно часто в цветных  сплавах - бронзе (оловянной), алюминиевомедных сплавах и т. п., где анализы  обнаруживают преобладание примеси (второго  компонента) в наружных слоях слитка, по сравнению с внутренними, иногда даже на целые проценты.

Здесь, очевидно, обогащенный  примесями маточный раствор отгоняется какими-то факторами наружу слитка. Чтобы объяснить, каким образом  может получиться это явление, нужно  представить себе подробнее, что  происходит со сплавом в период образования  и роста кристаллов. До сих пор  полагали, что растущие от краев  кристаллы образуют сплошную транскристаллизационную  стенку, отгоняющую всю жидкую фазу внутрь слитка.

На самом деле между растущими дендритами всегда остаются некоторые пространства, в  которых застревает маточный раствор. Часть этих межкристаллических жидких ликвационных участков при обычном  медленном охлаждении отгоняется внутрь слитка, часть остается на том же месте до полного затвердевания  слитка, и тогда их часто обнаруживают под микроскопом в виде ряда неметаллических  включений или пленок между кристаллами.

Но в условиях быстрого охлаждения, когда в кристаллизующемся  слитке могут возникать резкие объемные изменения, образующиеся внутри слитка полости, заполненные ликватом, могут  испытывать давление со стороны быстро растущих кристаллов; вследствие общего сжатия всего объема затвердевающего слитка жидкий маточный раствор может выдавливаться наружу через микроскопические просветы Споры), существующие в затвердевшем сплаве благодаря неплотному прилеганию друг к другу образовавшихся кристаллов (дендритов).

Факт существования  тончайших просветов и пор  между кристаллами литого металла  не подлежит сомнению, и происхождение  обратной ликвации можно объяснить, лишь основываясь на этом факте.

Остается только не вполне ясным самый процесс  просачивания маточного раствора при  обратной ликвации, т. е. происхождение  того давления, которое заставляет жидкость выталкиваться наружу при  кристаллизации.