Контрольная работа по «Материаловедению»

Министерство образования  и науки РФ

Федеральное государственное  образовательное

учреждение высшего профессионального  образования

«Национальный исследовательский  технологический

университет МИСиС» Новотроицкий филиал

Кафедра МТ

 

 

Контрольная работа по дисциплине «Материаловедение»

Вариант № 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2012

1 Опишите строение  и основные характеристики

кристаллической решётки молибдена (параметры,

координационное число, плотность упаковки)

 

Молибден—химический элемент с атомным номером 42 в периодической системе, обозначается символом Mo (лат. Molybdenum), ковкий переходный металл серебристо-белого цвета, парамагнитен. Механические свойства, как и у большинства металлов, определяются чистотой металла и предшествующей механической и термической обработкой (чем чище металл, тем он мягче). Обладает крайне низким коэффициентом теплового расширения. Главное применение находит в металлургии.

Структура решетки молибдена—кубическая объёмноцентрированная. Период решётки (длина ребра куба) равен 3,150 Å.

Координационное число—это  число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного  атома. Координационное число молибдена—К8; т. е. центральный атом в объёмноцентрированной решётке имеет восемь ближайших равноотстоящих соседей.

Атомы (ионы) металлов стремятся  расположиться максимально близко друг к другу, поэтому атомы в кристаллических решётках довольно плотно упакованы. Принимая для атома форму шара, можно подсчитать, что в кубической объёмноцентрированной решётке атомы занимают 68% объёма.

 

 

2 Вычертите диаграмму  состояния кадмий – цинк. Опишите

взаимодействие  компонентов в жидком и твёрдом состоянии, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов в данной системе

 

 

Диаграмма состояния Cd—Ζn построена  по результатам ДТА, микроструктурного, рентгеновского, термодинамического  анализов, а также измерения физических свойств. Диаграмма состояния является диаграммой эвтектического типа с ограниченными областями твердых растворов на основе компонентов. Координаты эвтектической точки соответствуют 266 °С и 26,5%  Ζn.

Растворимость Ζn в Cd составляет 5,0; 2,9 и 1,2 % при температурах 266, 200 и 140 °С, соответственно. Кривая солидуса со стороны Ζn носит ретроградный характер с максимумом растворимости 1,5 % Cd при температуре 350 °С. Растворимость при более низких температурах 266, 200 и 150 °С составляет 1,3; 1,05 и 0,41 % Cd, соответственно.

Такой тип диаграммы характерен для случая ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Твердый раствор Zn в Cd образуется лишь до определенной концентрации Zn, твердый раствор Cd в Zn - лишь до определенной концентрации Cd. Для таких систем возможны два случая трехфазного равновесия:  эвтектическое равновесие жидкого расплава, твердого раствора α и твердого раствора β, при эвтектической температуре, которая, ниже температур плавления обоих компонентов. При охлаждении затвердевшей смеси ниже линии солидуса происходит изменение концентраций твердых растворов α и β, которые дают температурную зависимость растворимости в твердом состоянии Zn в Cd и Cd в Zn.

 

3 Для чего применяется  отжиг в процессе изгото-

вления холоднокатанной  стальной ленты?

Как называется такой  вид отжига?

Отжигом – называется вид термической обработки, состоящий в нагреве металла, имеющего неустойчивое состояние в результате предшествующей обработки и приводящей металл в более устойчивое состояние. При этом процессе заготовки и изделия получают устойчивую структуру без остаточных напряжений. Цели отжига – снятие внутренних напряжений, устранение структурной и химической неоднородности, снижение твердости и улучшение обрабатываемости, подготовка к последующим операциям.

Отжиг делится на полный, неполный, диффузионный,  рекристаллизационный, низкий, изотермический и нормализационный.

Полный отжиг применяется  для снижения твердости, прочности  стали, а пластичность при этом повышается. При полном отжиге в металле происходит, перекристаллизация стали и уменьшения размера зерна, за счёт чего и достигаются указанные выше свойства.

Неполный отжиг применяется, для улучшения обрабатываемости резанием и для подготовки стали к закаливанию.

Изотермический отжиг  заключается, в нагреве стали  до определённой температуры и относительно быстром охлаждении,  также до определенных температур и последующем  охлаждении на воздухе. При этом получается, более однородная структура стали. Изотермическая выдержка производится в расплаве соли.

Диффузионный отжиг заключается, в нагреве стали до 1000-1100 градусов по Цельсию, выдержке (10-15 часов) при этой температуре и последующем медленном охлаждении. В результате такого отжига происходит, выравнивание неоднородности стали по химическому составу. Такая высокая температура необходима для ускорения диффузионных процессов. При высокой температуре нагрева и продолжительной выдержке получается крупнозернистая структура, которая устраняется последующим полным отжигом.

Рекристаллизационный отжиг  необходим для снятия наклёпа  и внутренних напряжений после холодных деформаций и подготовки к дальнейшему деформированию. В результате такого отжига образуется однородная мелкозернистая структура с небольшой твердостью и значительной вязкостью.

Низкий отжиг применяют  для того, чтобы только снять внутреннее напряжение, которое возникает после механической обработки. Нормализация состоит, из нагрева стали, её выдержке при определенной температуре и после чего оставляют охлаждаться на воздухе.

В процессе изготовления холоднокатанной стальной ленты применяется рекристаллизационный вид отжига. Рекристаллизационный отжиг выполняют путем нагрева до температуры ниже Ас₁, (650—700°С), выдержки и последующего охлаждения. При нагреве металла до 650-700°С  возрастает диффузионная подвижность атомов и в твердом состоянии происходят вторичные кристаллизационные процессы (рекристаллизация). На границах деформированных зерен возникают новые центры кристаллизации, вокруг которых заново строится решетка. Вместо старых деформированных зерен вырастают новые равноосные зерна, и деформированная структура полностью исчезает. При этом восстанавливаются первоначальная структура и свойства металла.

 

4 Вычертите диаграмму состояния железо –цементит, укажите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600°С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,5% С. Выберите для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите: состав фаз т.е. процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношение 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 ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. 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 А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].

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.

Описание превращений в сплаве, содержащем 0,5% углерода (см. рис.). Сплав до точки 1, при температуре 1500°С будет находится в состоянии жидкого расплава. По правилу фаз, С = К – Ф +1. Количество компонентов равно двум (Fe, Fe₃С). Ф – количество фаз равно единице (жидкий расплав). Следовательно С = 2, а значит t - const, она понижается. Внутренний фактор концентрация также - const. На кривой охлаждения это отразится в виде наклонной прямой. В точке 1 из жидкости образуется аустенит. С₁ = 2 – 2 + 1 = 1. Число фаз равно двум (жидкий расплав + аустенит). Следовательно, t - const, она понижается, но т.к. при кристаллизации аустенита выделяется скрытая теплота процесса Q↑, значит скорость охлаждения уменьшится. На кривой охлаждения это отобразиться в виде более пологой наклонной прямой.  На участке 1-2 происходит кристаллизация аустенита. С_1-2 = 2 – 2 + 1 = 1, присутствуют две фазы. Температура по-прежнему уменьшается. В точке 2 при температуре 1425°С заканчивается кристаллизация аустенита. Число фаз становится равным единице и число степеней свободы равно двум. Следовательно, на участке 2 – 3 будет прямая, менее пологая, чем 1-2. В точке 3 при температуре 780°С происходит выпадение кристаллов феррита. Число фаз будет равно 2 (аустенит +феррит). С₃ = 2 – 2 + 1 = 1. Следовательно, t - const, она понижается, но т.к. при кристаллизации аустенита выделяется скрытая теплота процесса Q↑, значит скорость охлаждения уменьшится. На кривой

 

охлаждения это отобразиться в  виде более пологой наклонной  прямой. В точке 4 при температуре 727°С происходят эвтектоидные превращения, которые заключаются в том, что аустенит при температуре  727°С перекристаллизуется с образованием механической смеси феррит-перлит. Эвтектоид называется перлит. Число фаз будет равно 3. C₄ = 2 + 1 – 3 = 0. Следовательно, t = const. На графике это отразится в виде прямой 4 – 4´, параллельной оси времени. Сплав после точки 4 имеет две фазы, следовательно, t - const, она понижается, но т.к. при кристаллизации феррита выделяется скрытая теплота процесса Q↑, значит скорость охлаждения уменьшится. На кривой охлаждения это отобразиться в виде более пологой наклонной прямой.

Между точками 1 и 2 (т. е. между линиями ликвидус и солидус) при температуре 1450°С сплав находится в двухфазном состоянии. При двух компонентах и двух фазах система моновариантна (С = К — Ф  +1 = 2 — 2 + 1 = 1), т. е. если изменяется температура, то изменяется и концентрация компонентов в фазах; каждой температуре соответствуют строго определенные составы фаз. Концентрация и количество фаз у сплава, лежащего между линиями солидус и ликвидус, определяются правилом отрезков. Так, сплав в точке а состоит из жидкой и твердой фаз. Состав жидкой фазы определится проекцией точки b, лежащей на линии ликвидус, а состав твердой фазы — проекцией точки с, лежащей на линии солидус. Количество жидкой и твердой фаз определяется из следующих соотношений: количество жидкой фазы ac/bc, количество твердой фазы ba/bc.

m_ж = ac×100/bc; m_А = ba×100/bc;

m_ж = 6 × 100 / 40 =15%; m_А =34 × 100 / 40 = 85%.

После того как определили соотношение компонентов в точке а, определяем концентрацию углерода в жидкой фазе и твёрдой соответственно, для этого из точек b и c проводим перпендикулярные прямые на шкалу концентрации углерода и получаем результат b = 1,5 %; c = 0,35 % C.

5 Углеродистые  стали 35 и У8 после закалки  и отпуска имеют структуру  мартенсит отпуска и твердость:  первая 45 HRC, вторая – 60 HRC. Используя  диаграмму состояния железо –  карбид железа и учитывая превращения, происходящие при отпуске, укажите температуру закалки и температуру отпуска для каждой стали. Опишите превращения, происходящие в этих сталях в процессе закалки и отпуска, объясните, почему сталь У8 имеет большую твердость, чем сталь 35.

Закалка – термическая  обработка – заключается в  нагреве стали до температуры  выше критической (А3 для доэвтектоидной и А1 – для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. В результате закалки из аустенита образуется неустойчивая, метастабильная структура мартенсит.