Вариант 12 Вопр.



Работа добавлена на сайт TXTRef.ru: 2019-12-03

Вариант 12

Вопрос 1.

Что такое переохлаждение и как оно влияет на структуру кристаллизующегося металла?

Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Кристаллизация протекает вследствие перехода к более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией. Свободные энергии жидкого и твердого состояний уменьшаются с повышением температуры (рис.1). При достижении температуры ТS свободные энергии жидкого и твердого состояний равны. Температура ТS называется теоретической температурой кристаллизации.

Процесс кристаллизации развивается, если созданы условия, при которых возникает разность свободных энергий, когда свободная энергия твердого металла меньше, чем жидкого.

Как видно из рис.2, это возможно когда жидкость охлаждена ниже точки ТS , например, до температуры Тп, называемой фактической температурой кристаллизации. Разность температур ∆Т = ТS — Тп называется степенью переохлаждения.

Процесс кристаллизации можно изобразить кривыми в координатах температура—время. На рис 2. приведены кривые охлаждения при кристаллизации металла с разной скоростью v. Проследим ход процесса кристаллизации металла по кривой охлаждения.

Сначала, когда металл находится в жидком состоянии, температура понижается равномерно до температуры кристаллизации Тп, лежащей ниже температуры ТS. При достижении температуры кристаллизации на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка, так как отвод теплоты в окружающую среду компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. После окончания кристаллизации температура вновь понижается равномерно. Как видно из кривых кристаллизации (см. рис.), чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения и тем при более низкой температуре происходит процесс кристаллизации.

Для построения кривых охлаждения применяют термический метод.

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождение мельчайших частиц кристаллов (зародышей или  центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров.

Зародышами или центрами кристаллизации являются микрообъемы металла внутри жидкости, имеющие правильное расположение атомов в соответствии с кристаллической решеткой данного металла.

Центры кристаллизации самопроизвольно  возникают при переохлаждении металла. Роль переохлаждения при  кристаллизации весьма велика. Не все возникающие атомно-кристаллические группы-зародыши могут стать центрами кристаллизации. Очень маленькие зародыши, возникнув, затем снова растворяются, т.е. являются неустойчивыми. Чем ниже температура кристаллизации, т.е. чем больше степень переохлаждения, тем устойчивее будут мелкие зародыши, которые могут стать центрами кристаллизации. Минимальный размер зародыша, способного при данной температуре стать устойчивым центром кристаллизации, называется  критическим размером зародыша.

Степень переохлаждения зависит от скорости охлаждения, т.е. скорости отвода тепла от  кристаллизующейся жидкости. Чем больше степень переохлаждения, тем более устойчивы мелкие зародыши, т.е. тем меньше критический размер зародыша.

Число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов влияют на величину зерна, а, следовательно, и на свойства металлов. Оба эти фактора  зависят от степени переохлаждения, которая в свою очередь определяется скоростью охлаждения. Чем больше степень переохлаждения, тем меньше размер зародыша, и тем легче он образуется.

Рис. 1.                               Рис. 2.

Вопрос 2.

Вычертите диаграмму состояния системы Al-Cu.

Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе с помощью правил Курнакова.

    Алюминий с медью образуют химическое соединение CuAl2

Диаграмма состояния системы  Cu-Al представляет собой левую часть диаграммы устойчивого химического соединения CuAl2 с образованием ограниченного твердого раствора химического соединения CuAl2 в Al (α) .

Левая часть диаграммы – это диаграмма двухсторонней ограниченной растворимости эвтектического типа.

Из диаграммы  видно, что медь растворяется в алюминии при комнатной температуре в количестве около 0,5%, а максимальная растворимость при эвтектической температуре 548°С равна 5,7%. Твердый раствор α содержит от 0,5% до 5,7% меди.

Механическая смесь (эвтектика) состоит из кристаллов α-твердого раствора и химического соединения CuAl2.

    Эвтектика содержит 33% меди и образуется при температуре 548°С.

На зависимость свойств сплавов от типа диаграммы указал Курнаков Н. С.

Для данной диаграммы характерно наличие твердого раствора (свойства изменяются криволинейно) и механической смеси (свойства изменяются прямолинейно).

Наличие в сплаве химического соединения определяет резкое изменение свойств (сингулярная точка).

Литейные свойства определяются расстоянием между линиями ликвидуса и солидуса (интервал кристаллизации). Чем это расстояние меньше, тем выше литейные свойства.

Однофазные структуры твердых растворов предполагает хорошую обрабатываемость давлением, технологическую пластичность.

Присутствие в сплаве эвтектики улучшает обрабатываемость резанием, а химического соединения приводит к упрочнению сплавов.

Рис. 3 Диаграмма системы Cu-Al.

Вопрос 3

Как и почему изменяются механические свойства металлов при холодной пластической деформации?

     В большинстве случаев используемые в различных отраслях техники металлы и сплавы являются поликристаллическими.

На развитие пластической деформации в поликристаллическом металле влияют различная ориентация зерен в пространстве и наличие межзеренных границ. В связи с различной ориентацией зерен пластическая деформация в поликристаллическом металле не может начинаться одинаково и одновременно во всех зернах. В первую очередь сдвиг начинается в зернах, ориентированных под углом 30—70° к направлению действующей силы, а затем постепенно с увеличением степени деформации изменяется ориентация плоскостей всех зерен. При большой пластической деформации возникает преимущественная ориентировка плоскостей и направлений в зернах. Преимущественная ориентировка зерен относительно внешних сил деформирования называется   текстурой деформации.

Образование текстуры деформации приводит к тому, что поликристаллический металл становится анизотропным (свойства его изменяются в зависимости от направления испытания).

Границы зерен служат препятствиями для распространения пластической деформации от одного зерна к другому (если деформация происходит не при высоких температурах). Приграничные области имеют большее количество дефектов атомно-кристаллического строения, здесь деформация затруднена. Влияние границ проявляется в увеличении сопротивления пластической деформации, для преодоления которого требуется повышение внешнего усилия.

При пластической деформации увеличивается плотность дислокаций, растет число препятствий для их движения и образуется сложная дислокационная структура металла. Внутри зерен формируется тонкая ячеистая структура. Ячейки — микроскопические участки зерна размером в поперечнике 0,25— 0,30 мкм, содержат небольшое количество дислокаций, кристаллическая решетка ячеек искажена незначительно. Наибольшие искажения решетки и большая плотность дислокаций — на границах ячеек.

Соседние ячейки несколько разориентированы одни относительно других. Образование ячеистой структуры начинается от границ зерен, где плотность дислокаций повышенная. С увеличением степени деформации ячеистая структура проявляется более четко.

Наряду с увеличением плотности дислокаций при пластической деформации растет количество точечных дефектов — вакансий, дислоцированных атомов.

Пластическая деформация вызывает изменение микроструктуры поликристаллического металла. При небольшой деформации на поверхности предварительно полированного образца в пределах отдельных зерен под микроскопом можно наблюдать следы деформации — линии (полосы) скольжения и двойники. В дальнейшем число зерен, в которых обнаруживаются следы деформации, увеличивается. При росте степени деформации по мере ее развития в каждом зерне (рис.а) микроструктура значительно изменяется — зерна вытягиваются в направлении пластического течения (рис. б). При большой деформации образуется волокнистая структура.

Все внутренние изменения, которые происходят при пластической деформации (искажение кристаллических решеток, увеличение плотности дислокаций и вакансий, изменение микро- и макроструктуры от полиэдрической у литого металла до волокнистой у деформированного металла, появление текстуры деформации), вызывают упрочнение металла. Прочностные характеристики, такие как временное сопротивление, предел текучести, твердость, повышаются, а пластические — снижаются (рис. ). Упрочнение металла под действием пластической деформации называют наклепом.

Холодная деформация сопровождается упрочнением  (наклепом) металла.

Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температурах ниже температуры рекристаллизации.

Наклеп широко используют как способ упрочнения деталей, изготовление которых включает холодную обработку давлением. 

Пластическая деформация приводит к изменению физических свойств металла: повышению электросопротивления, уменьшению плотности, изменению магнитных свойств.

Наклепанные металлы более склонны к коррозионному разрушению при эксплуатации.

Наклепанный металл запасает 5—10 % энергии, затраченной на деформирование. Эта энергия расходуется на образование несовершенств кристаллического строения и на упругие искажения кристаллической решетки.

    

Рис.     Влияние степени пластической деформации ε

на характеристики прочности (σв и σ0,2) и пластичности (δ) металла.

Рис.     Влияние   пластической   деформаций   на   микроструктуру   металла (схема): а — до деформации; б — после деформации.

Вопрос 4.

Вычертите диаграмму железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагрева в интервале температур от 0 до 1600˚С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего  0,2% С.

Для заданного сплава определите при температуре 1500˚С процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз.

Для заданного сплава при температуре   1500 °С:

1) количественное соотношение фаз

Qжидкая фаза = aM / ab х 100% =

Qферрит δ = Mb / ab х 100% =

2) концентрация компонентов в сплаве

в феррите δ -        %С  (точка a′);

в жидкой фазе -        %С (точка b′).

нагрев

Описание превращений в сплаве, содержащем 0,2%С,

при нагревании.

В верхней части диаграммы сплав лежит между точками J(0,16%С) и B(0,5%С) по линии перитектического превращения и в нижней части диаграммы между точками P (0,025%С) и S(0,8%С) по линии эвтектоидного превращения.

1) до t1727 ˚С (Ас1) сплав имеет структуру [Ф + П(Ф + ЦII, III)] – феррито-цементитную;

Ф = 2 (Ф,Ц),

С = 1.

2) при температуре t1 727 ˚С в сплаве происходит эвтектоидное превращение при избыточной фазе Фα 

П(Ф0,025 + Ц6,67)  → А0,8

Ф = 3 (Ф,Ц,А),

С = 0.

3) выше линии PSК (727 ˚С (Ас1)  до пересечения с линией GS(Ас3) t2 сплав имеет двухфазную структуру Ф + А;

Ф = 2 (Ф,А),

С = 1.

4) выше линии GS до пересечения с линией JЕ (солидус) t3 сплав имеет однофазную структуру А;

Ф = 1 (А),

С = 2.

5) выше линии JЕ до пересечения с линией JВ (перитектического превращения) t4 сплав имеет двухфазную структуру (Ж + А)  

Ф=2 (Ж, А),

С=1.  

6) по линии JВ происходит перитектическое превращение с избыточной жидкой фазой

Ж + А0,16 → Ж0,5 + Ф0,1

Ф = 3 (Ф,А,Ж),

С = 0.

7) выше линии JВ до пересечения с линией АВ t5 сплав имеет структуру (Ф + Ж)

Ф=2 (Ж,Ф),

С=1.  

8) выше линии АВ сплав весь переходит в жидкое однофазное состояние;

Ф = 1 (Ж),

С = 2.

ФАЗЫ И СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ.

Согласно диаграмме состояния для железоуглеродистых сплавов характерны следующие фазовые и структурные составляющие.

1. Однофазные составляющие:

феррит — твердый раствор углерода в α-железе — Fe (С). Максимальная растворимость углерода в феррите около 0,006 % при 20°С и 0,025 % при 727°С.  Кристаллическая решетка — объемно-центрированный куб. Феррит — твердый раствор внедрения; атомы углерода располагаются в междоузлиях решетки железа α. Феррит магнитен  и весьма  пластичен.  Твердость   феррита НВ 800—1000 МПа;

аустенит — твердый раствор углерода в γ-железе — Fe γ (C). Максимальная растворимость углерода в аустените при 1147°С равна 2,14%. Кристаллическая решетка — гранецентрированный куб. Аустенит — твердый раствор внедрения. Аустенит немагнитен и обладает меньшим удельным объемом, чем феррит. Твердость аустенита ~ НВ 1800—2000 МПа;

цементит — химическое соединение железа с углеродом— Fe3C. Цементит имеет сложную (ромбическую) кристаллическую решетку, очень высокую твердость ~ HV 10 000 и весьма хрупок.

2. Двухфазные структуры:

перлит (эвтектоид) представляет собой смесь феррита и цементита. В зависимости от формы частиц цементита перлит может быть пластинчатым или зернистым. Твердость пластинчатого перлита средней дисперсности НВ 2000—2500, зернистого НВ 1600—2200 МПа;

ледебурит (эвтектика) — смесь аустенита и цементита. Ледебурит образуется при кристаллизации; имеет очень высокую твердость ~ HV 8000 и очень хрупок.

Вопрос 5.

Причины возникновения внутренних напряжений при закалке.

Каким способом можно предохранить изделие от образования закалочных трещин?

Внутренние напряжения возникают в результате неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины изделия, увеличения объема и неоднородности мартенситного превращения по объему изделия. Напряжения, вызываемые этим превращением, называют структурными или фазовыми.

Неодинаковое распределение температуры по сечению изделия при быстром охлаждении сопровождается и неравномерным изменением объема. Поверхностные слои сжимаются быстрее, чем внутренние.

Различают внутренние напряжения I, II и III рода.

Напряжения I рода это зональные внутренние напряжения, возникающие между отдельными зонами сечения и между, различными частями детали. Чем больше скорость и неравномерность охлаждения, размеры детали, тем большего значения достигают внутренние напряжения I рода.

Напряжения II рода возникают внутри зерна или между соседними зернами вследствие того, что у них различные коэффициенты линейного расширения, или вследствие образования новых фаз. Внутренние напряжения II рода (их называют структурными) не зависят от скорости охлаждения. Структурные напряжения возникают в результате превращения аустенита в мартенсит. Мартенсит в первую очередь образуется на поверхности, а не в сердцевине. Так как превращение «аустенит—мартенсит» сопровождается увеличением объема, это приводит к образованию на поверхности временных сжимающих напряжений, а во внутренних слоях - растягивающих.

Напряжения III рода образуются внутри объема нескольких элементарных ячеек кристаллической решетки.

Внутренние напряжения I рода, влияние которых наиболее сильно, вызывают коробление детали и трещины, особенно если металл обладает малой пластичностью и если внутренние напряжения превзойдут значение предела прочности.

Напряжения, которые возникли и сохранились в детали в результате охлаждения, называют остаточными.

Закаленная сталь всегда находится в структурно-напряженном состоянии. Отпуск является необходимым средством снятия остаточных напряжений.

При закалке трещины возникают в тех случаях, когда внутренние напряжения I рода превышают сопротивление стали отрыву. Трещины образуются при температуре ниже точки Мн, чаще — после охлаждения. Склонность к образованию трещин возрастает с увеличением в стали процентного содержания С, повышением температуры закалки и увеличением скорости охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения.

Другой причиной является наличие в изделии концентраторов напряжений (резкое изменение сечения изделия, местные вырезы, выступы, углубления).

Трещины — неисправимый дефект.

Для их предупреждения необходимо при конструировании изделия избегать резких выступов, резких переходов; проводить закалку в интервале низких температур; осуществлять медленное охлаждение в мартенситном интервале; выполнять отпуск немедленно после закалки.

Другие работы

Тема 1. Экономическая сущность страхования Во...


Экономическая сущность страхования Вопрос 1. Экономическая сущность страхования [1] Тема 2. Основные понятия и термины страхования Вопрос 2. Ист...

Подробнее ...

. Кто может стать индивидуальным предпринимат...


23 ГК РФ гражданин вправе заниматься предпринимательской деятельностью без образования юридического лица с момента государственной регистрации в...

Подробнее ...

Мы должны приложить все усилия для дальнейшег...


В то же время создать благоприятные условия чтобы представители всех проживающих в стране народностей могли свободно говорить обучаться на родно...

Подробнее ...

София Ltd M.- Изво Трансперсонального Институ...


Множество психологов называют науку осознанного сновидения самым важным шагом в исследовании сна со времен Фрейда. Видеть осознанное сновидение ...

Подробнее ...