По дисциплине: «Общее материаловедение»

Курсовая работа

Орск 2012

Содержание

1. Задание №1 4

2. Задание №2 6

3. Задание №3 9

4. Задание №4 12

5. Задание №5 18

6. Список используемых источников 22

1. Опишите строение и основные характеристики кристаллической решетки цинка

Периодом решетки называется расстояние между центрами двух соседних атомов. Координационное число - количество атомов, находящихся на наиболее близком расстоянии от любого атома в решетке. Атомный радиус (половина атомного диаметра) - половина межатомного расстояния между центрами ближайших атомов.
Металлы имеют плотную упаковку атомов, т.е. высокие координационные числа и большое количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку.

В гексагональной плотноупакованной решетке (ГП; А3) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы. Гексагональная решетка характеризуется двумя параметрами: а и с. Наибольшая плотность упаковки достигается при соотношении параметров с/а = 1.633. Гранецентрированная решетка с таким соотношением параметров называется гранецентрированной плотноупакованной. Такую решетку имеют титан, цирконий, кобальт, цинк, магний и др.

где R — радиус атома (иона); n — базис, или число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку; V — объем элементарной ячейки.

Координационное число 12, плотность кристаллической решетки, т. е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности коэффициент компактности – 74.

2. Для изготовления разверток выбрана сталь ХГ:

А) расшифруйте состав и определите, к какой группе относится данная сталь по назначению

Б) Назначьте режим термической обработки, приведите подробное его обоснование, объяснив влияние легирование на всех этапах термической обработки данной стали

В) опишите микроструктуру и свойства стали после термической обработки

А) Сталь инструментальная легированная ГOCT 5950—51, Инструментальная легированная сталь содержит в своем составе легирующие элементы: хром, вольфрам, молибден, ванадий и др. Легирование увеличивает длительность работы инструмента при высоких температурах и повышает его износостойкость. Из легированной стали изготовляют инструмент, который в случае изготовления из другой стали может дать коробление во время термической обработки, инструмент, который должен прокаливаться по всему сечению, и инструмент крупного размера. Характеристика основных марок легированных сталей и их назначение следующие.

Для мерительного инструмента повышенных классов точности в отечественной инструментальной практике получила, широкое распространение сталь марки ХГ состава 1,3-1,5% С: 0,4-0,7% Мп; 1,3-1,6% Сг. Отличительная особенность этой стали ее малая деформируемость, т. е. незначительное изменение объема и размеров в результате закалки и низкого отпуска.

Б) Легированные стали характеризуется повышенным содержанием марганца (при нормальном содержании кремния). Это приводит при закалке к увеличению количества остаточного аустенита и уменьшению деформации; поэтому эти стали можно назвать малодеформирующимися инструментальными. Они закаливаются в масле, а не в воде, стали ХГ из-за увеличенного содержания остаточного аустенита деформируются еще меньше.

Механические свойства развертки, после термической обработки, зависят главным образом от содержания углерода. С ростом содержания углерода в стали увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается количество феррита, т.е. повышаются прочность и твердость и уменьшается пластичность. Происходит это потому, что образующаяся по границам зерен в заэвтектоидных сталях сетка вторичного цементита снижает прочность стали.

Нужный комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура. Высокая прочность развертки, выполненной из легированной инструментальной стали ХГ может быть получена и за счет применения термомеханической обработки (ТМО). Объясняется это тем, что частичное выделение углерода из аустенита при деформации облегчает подвижность дислокаций внутри кристаллов мартенсита, что и способствует повышению пластичности.

Таким образом, развертки, выполненные из стали марки ХГ после термической обработки имеют высокие механические свойства. Отсутствие склонности к деформациям и трещинам, высокие режущие свойства, допустимую скорость резания 15-25 м/мин.

Режим термической обработки:

Отжиг – 780⁰С, закалка – 800⁰С, охлаждающая среда масло, отпуск- 150⁰С.

В закаленной высокоуглеродистой стали при нормальной комнатной температуре в течение длительного времени самопроизвольно протекает процесс старения, который заключается в частичном распаде мартенсита и превращении некоторого количества остаточного аустенита в мартенсит. Старение вызывает небольшое изменение объема в линейных размерах изделия, недопустимое для измерительных инструментов высоких классов точности.

Для предупреждения старения измерительные инструменты продолжительное время (12–60 ч) подвергают отпуску при температуре 150–170°С. Твердость после указанной обработки составляет HRC 62–64.

В) неполный отжиг, с температурой нагрева на 30…50^oС выше критической температуры А₁

Применяется для заэвтектоидных сталей. При таком нагреве в структуре сохраняется цементит вторичный, в результате отжига цементит приобретает сферическую форму (сфероидизация). Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, при которой дробится цементитная сетка. Структура с зернистым цементитом лучше обрабатываются и имеют лучшую структуру после закалки. Неполный отжиг является обязательным для инструментальных сталей

Неполная закалка с температурой нагрева на 30…50 ^o С выше критической температуры А₁

Применяется для заэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

.

После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента.

После полной закалки заэвтектоидных сталей получают дефектную структуру грубоигольчатого мартенсита.

Заэвтектоидные стали перед закалкой обязательно подвергают отжигу – сфероидизации, чтобы цементит имел зернистую форму

Низкий отпуск с температурой нагрева Т_н = 150…300 ^o С.

В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Получают структуру – мартенсит отпуска.

3. Как изменяется плотность дислокации при пластической деформации металлов и почему?

Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движении отдельных новых дислокаций, а, следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность. Наибольше значение имеет увеличение плотности дислокаций, т. к. возникающие при этом между ними взаимодействия тормозит дальнейшее их перемещение.

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.

Плотность дислокаций в кристалле определяется как среднее число линий дислокаций, пересекающих внутри тела площадку площадью 1 м², или как суммарная длина линий дислокаций в объеме 1 м³:

(см^-2; м^-2)

Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций составляет 10⁵…10⁷ м^-2, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает 10¹⁵…10 ¹⁶ м ^–2.

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала.

Рисунок 2 – Влияние плотности дислокаций на прочность

Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций ρ = 10⁵…10⁷ м².

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. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм – «усы» с прочностью, близкой к теоретической: для железа σ_В = 13000 МПа, для меди σ_В =30000 МПа. При упрочнении металлов увеличением плотности дислокаций, она не должна превышать значений 10¹⁵…10 ¹⁶ м ^–2. В противном случае образуются трещины.

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

4. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и построите кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600⁰С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,3%С. Для заданного сплава при температуре 1300⁰С определите: состав фаз, т.е. процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношение фаз.

Металлические сплавы — это сложные по составу вещества на основе металлов, сохраняющие их основные свойства: высокую электро - и теплопроводность, литейные свойства, ковкость и др. Сплав может быть в жидком и твердом состоянии. В жидком состоянии существует только одна жидкая фаза, а в твердом у сплавов может быть несколько фаз в виде твердых растворов, химических соединений и механических смесей.

Фазовые превращения происходят по мере изменения температуры. При нагреве до 768°С a — железо теряет свои магнитные свойства, но кристаллическая решетка не меняется.

При 898°С – эта решетка превращается в гранецентрированную кубическую решетку, называемую g — железом. Аустенит это твердый раствор внедрения углерода в y –железо. Он не магнитен, сравнительно мягкий, углерода содержится в нем максимально до 2 %.

При 1401°С g — железо превращается в s — железо с объемно — центрированной решеткой, существующей до температуры плавления железа (1539°С).

Цементит — это химическое соединение (карбид железа Fe3C), содержащее 6,67 % углерода и имеющее высокую твердость и хрупкость, плохо проводящее электрический ток и тепло. Цементная сетка является светлой на микроструктурах сплава. Цементит является неустойчивым химическим соединением и при высоких температурах происходит его распад на железо и углерод:

Fe3 C = Fe + C.

Ледебурит—это механическая смесь (эвтектика), состоящая из аустенита и цементита и содержащая 4,3 % углерода, образуется при температурах ниже 1147°С, имеет высокую твердость и хрупкость.

Перлит – механическая смесь (эвтектоид), состоящая из тонких пластинок или зерен цементита и феррита, образуется в результате распада аустенита при температурах ниже 727°С. Углерода в перлите 0,8 %.

На основе кривых охлаждения и нагрева сплавов Fe-C строится диаграмма состояний системы железо-углерод. На ней имеются линии: ликвидуса – АСД; солидуса - AECF. Выше линии ликвидуса металл находится в жидком состоянии, а ниже линии солидуса - в твердом (кристаллическом) состоянии. Остальные линии отражают превращения в сплавах, происходящие после затвердевания. Ниже линии солидуса, при дальнейшем снижении температуры происходят структурные изменения, т.е. перекристаллизация уже в твердом состоянии (вторичная кристаллизация).

В точке S аустенит распадается на твердую однородную смесь кристаллов феррита и цемента — перлит. Сплав в точке S — эвтектоидный, при содержании углерода меньше 0,8% доэвтектоидный, а более 0,8% — заэвтектоидный. После 0,8% происходит распад аустенита с выпаданием из него вторичного цементита.

Точка А –это температура плавления чистого железа Fe, а точка Д — температура плавления цементита Fe3C. Точка Е (2,14 % С) делит сплав на две группы: стали и чугуны. Левее точки Е будут стали, а правее - чугуны.

Температура плавления стали с увеличением количества углерода С в ней снижается, а чугунов после 4,3 % — увеличивается.

Сразу после затвердевания структура сталей состоит из аустенита, а чугунов из смесей: аустенит + ледебурит; цементит + ледебурит.

При охлаждении доэвтектоидных сталей (С < 0,8%, т.е. левее точки S) аустенит распадается, из него выделяется феррит.

В эвтектоидной точке С будет механическая смесь кристаллов аустенита и цементита — ледебурит. Правее точки С выделяется цементит. Сплавы чугунов левее точки С — доэвтектоидные, правее — заэвтектоидные.

Белые чугуны (белый оттенок на изломе) состоят из ледебурита и цементита Они твердые, хрупкие, трудно механически обрабатываются. Используются для передела в сталь.

Если углерод в сплаве находится в свободном состоянии, т.е. в виде графита, то это серые чугуны.

Железоуглеродистые сплавы состава 2,14–4.3%С называются доэвтектическими белыми чугунами. Рассмотрим процесс кристаллизации и вторичных превращений на примере сплава П. От температуры несколько ниже линии ликвидус АС до 1147°С из жидкости выделяются кристаллы аустенита. Аустенит кристаллизуется в форме дендритов, которые, как правило, обладают химической неоднородностью, называемой дендритной ликвацией. Состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус, стремясь к эвтектическому, а твердой по линии солидус, стремясь к составу точки Е. При температуре 1147°С концентрация жидкой фазы достигает точки С (4,3 %С), а аустенита – точки Е (2,14 %С). Из жидкости эвтектического состава образуется смесь аустенита и цементита – ледебурит 1147°С.

Таким образом, ниже эвтектической линии ЕСF структура характеризуется избыточными кристаллами аустенита и эвтектикой (ледебуритом). При охлаждении от 1147 до 727°С состав аустенита непрерывно меняется по линии ЕS, при этом выделяется цементит вторичный (Ц_{вторичн.}). Вторичный цементит выделяется как из избыточного аустенита, так и из аустенита эвтектики. Однако, если вторичный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, присоединяется к эвтектическому цементиту, то из избыточного аустенита он выделяется в виде оболочек вокруг дендритов аустенита и представляет собой самостоятельную структурную составляющую.

Ниже 727°С весь аустенит: и избыточный, и тот, который входит в состав эвтектики – претерпевает эвтектоидное превращение, при котором образуется перлит. Таким образом, ниже 727°С структура доэвтектического белого чугуна характеризуется следующими структурными составляющими: избыточным перлитом (бывшим аустенитом), ледебуритом превращенным, состоящим из перлита и цементита и цементитом вторичным. Структура реального доэвтектического белого чугуна изображена на рис. 3 в. Чем ближе состав сплава к эвтектическому, тем больше в нем эвтектики – ледебурита.

От 0⁰С до 727⁰С этот сплав (сталь, содержащая 2,3% углерода) имеет две структурные составляющие: цементит и перлит. При рассмотрении можно увидеть зерна перлита и пластины цементита. Сплав постепенно насыщается углеродом, перлит превращается в аустенит.С температуры t=727⁰С сплав полностью изменяет свою структуру и состоит из аустенита и цементита. При t=727°С сплав имеет структуру аустенит-цементит. Линия PSK соответствует температуре, при которой происходит вторичная кристаллизация. Постепенно с линии превращения цементита при повышении температуры предельная концентрация углерода в аустените увеличивается. Этот процесс продолжается до t=1147⁰С. На линии солидуса AECF сплав с содержанием 2,3 %С из аустенита начинает выделять жидкий сплав.

Количество и состав твердых фаз определяют по правилу обратных отрезков. Для этого нужно через линию сплава, при 1300 градусах проведем каноду. Согласно правилу отрезков доля кристаллов в сплаве определится отношением отрезков *100%.. Доля Fe₃C кристаллов *100%.

В период охлаждения жидкого сплава число степеней свободы будет две:

C = к - f + 1= 2 - 1 + 1 = 2

Это значит, что можно менять в известных пределах темпе­ратуру, а также можно изменять концентрацию жидкого раствора.

В период выделения кристаллов пересыщающего компонента из жидкого раствора (между линией ликвидус и солидус).

С = к - f + 1 = 2 - 2 +1= 1.

Это значит, что в известных пределах можно повышать или понижать температуру, но число фаз останется равным двум:

жидкий раствор и твердые кристаллы.

В период образования эвтектики (линия солидус) число степе­ней свободы равно 0, так как С = к - f + 1= 2- 3 + 1= 0.

Это значит, что процесс кристаллизации эвтектики происходит при постоянной темпера­туре.

5. В чем состоит отличие процесса цементации в твердом карбюризаторе от процесса газовой цементации? Как можно исправить крупнозернистую структуру перегрева цементированных изделий?

В этом процессе насыщающей средой является древесный уголь (дубовый или березовый) в зернах поперечником 3,5-10 мм или каменноугольный полукокс и торфяной кокс, к которым добавляются активаторы: углекислый барий (BaCO₂) и кальцинированную соду (Na­₂CO_3­) в количестве 10-40% массы угля.

Детали, подлежащие цементации, после предварительной очистки укладывают в ящики: сварные стальные или, реже, литые чугунные прямоугольной или цилиндрической формы. При упаковке изделий на дно ящика насыпают и утрамбовывают слой карбюризатора толщиной 20-30 мм, на который укла­дывают первый ряд деталей, выдерживая расстояния между ними и до боковых стенок ящика 10-15 мм. Затем засыпают и утрамбо­вывают слой карбюризатора толщиной 10-15 мм, на него укла­дывают другой ряд деталей и т. д. Последний (верхний) ряд дета­лей засыпают слоем карбюризатора толщиной 35-40 мм с тем, чтобы компенсировать возможную его усадку. Ящик накрывают крышкой, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной или смесью глины и речного песка. После этого ящик помещают в печь.

Нагрев до температуры цементации (910-930°С) составляет 7-9 мин на каждый сантиметр минимального размера ящика. Продолжительность выдержки при температуре цементации для ящика с минимальным размером 150 мм составляет 5,5-6,5 ч для слоя толщиной 700-900 мкм и 9-11 ч для слоя толщиной 1200-1500 мкм. При большем размере ящика (минимальный раз­мер 250 мм) для получения слоя толщиной 700-900 мкм продол­жительность выдержки равна 7,5-8,5 ч, а при толщине 1200-1500 мкм – 1-4 ч.

После цементации ящики охлаждают на воздухе до 400-500°С и затем раскрывают.

Цементация стали осуществляется атомарным углеродом. При цементации твердым карбюризатором атомарный углерод обра­зуется следующим образом. В цементационном ящике имеется воздух, кислород которого при высокой температуре взаимодей­ствует с углеродом карбюризатора, образуя окись углерода. Окись углерода в присутствии железа диссоциирует по уравнению 2СО СО₂ + С_ат.

Углерод, выделяющийся в результате этой реакции в момент его образования, является атомарным и диффундирует в аустенит:

С_ат Fe_γ аустенит Fe_γ (С).

Поиск по сайту: