Диаграммы состояния сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Сибайский институт (филиал)

ФЕДЕРАЛЬНОГО Государственного БЮДЖЕТНОГО образовательного учреждения

Высшего профессионального образования

«Башкирский Государственный университет»

Кафедра общетехнических дисциплин

Технологический факультет

Контрольная работа по дисциплине

«Основы материаловедения»

Вариант 9

Выполнил: студент 1 ЭТТМК (3.5 года )

Мустафин М.А.

Проверил: старший преподаватель

Кафедры:

Мусин

Шагит Ришатович



1. Вычертите диаграмму состояния системы свинец - сурьма. Опешите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состоянии. Укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состоянии. Определите количественное соотношение фаз и их химический состав в середине температурного интервала в первичной кристаллизации сплава с 10% Sp

Диаграмма состояния строится экспериментально, например, термическим методом. Дело в том, что любые превращения, происходящие в металле или сплаве, в том числе такие как плавление при нагревании, кристаллизация при охлаждении, изменение кристаллического строения в твердом состоянии, сопровождаются тепловым эффектом - выделением тепла при охлаждении или поглощением его при нагревании.

Методика термического анализа заключается в том, что чистый металл (например, свинец - Pb), а также данный металл с добавлением увеличивающейся доли второго металла изучаемой системы (свинец с добавлением последовательно 5, 10, 15, 20 и т.д. процентов сурьмы - Sb), расплавляют и затем охлаждают, контролируя через постоянные промежутки времени (ф) температуру образцов. Таким образом получают термические кривые охлаждения (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Кривые охлаждения сплавов системы Pb - Sb



Остановка (горизонтальный участок) на кривой охлаждения или замедление скорости охлаждения свидетельствуют о протекании в сплаве фазового превращения того или иного типа. Точки на кривых охлаждения соответствующие остановке, а также началу и концу замедления изменения температуры сплава называют критическими точками, а соответствующие температуры - критическими температурами.

На рис. 1.1а точка 1 соответствует началу кристаллизации, а 1' - окончанию кристаллизации Pb, которая и случае чистого металла идет при

постоянной температуре. В сплавах ряда составов (рис. 1.1б,г) кристаллизация происходит в интервале температур (1 -2), а последующая остановка (2 -2' ) свидетельствует о протекании фазового превращения при постоянной температуре.

Рассмотрим термическую кривую охлаждения сплава состава «a» (Pb + 10% Sb) (см. рис. 1.2). При температуре а1 начинается процесс кристаллизации: из расплава (L) выделяются кристаллы свинца. При этом выделяется тепло и охлаждение сплава замедляется (уменьшается наклон кривой - участок 1-2 на рис. 1.1б). В точке а2 (246°С) из жидкости (расплава), к тому времени изменившей состав до 13% Sb, начинают выделяться одновременно кристаллы свинца и сурьмы в виде однородной механической смеси (эвтектики). Образование эвтектики, заканчивающее процесс кристаллизации сплава, происходит при постоянной температуре. Сплав (Pb+13%Sb) кристаллизуется с образованием только эвтектики и этот процесс проходит также при постоянной температуре, чему соответствует горизонтальный участок 2-2' на рис 1.1в.

Кристаллизация сплава состава «b» (см. рис. 1.1г) протекает по той же схеме, что и сплава «а», с той лишь разницей, что из жидкости ниже температуры ликвидуса (точка b1) начинают выделяться кристаллы сурьмы, а не свинца, и расплав по мере охлаждения до начала эвтектического превращения не обогащается сурьмой, а обедняется до 13% Sb.

Диаграмма состояния первого типа

Диаграммы состояния первого типа характеризуют случаи, когда компоненты, образующие сплав, неограниченно растворены взаимно в жидком состоянии и полностью нерастворимы в твердом состоянии.

Систему этого типа образуют, например, свинец и сурьма (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Диаграмма состояния Pb - Sb

Точки начала кристаллизации сплавов данной системы (точки 1 на рис. 1.1) образуют линию ликвидус (АВС на рис. 3.2). Точки завершения кристаллизации (точки 2) формируют линию солидус (DВЕ на рис. 1.2).

Точка В, соответствующая минимальной температуре кристаллизации сплава, называется эвтектикой (от греческого слова «легкоплавкий»), а сплав с 13% Sb - эвтектическим. Его структура в твердом состоянии представляет собой однородную механическую смесь кристаллов свинца и сурьмы.

Сплавы системы Pb - Sb подразделяют на три группы: доэвтектические (Sb менее 13%), которые ниже температуры солидус состоят кристаллов свинца и эвтектики; эвтектические (13% Sb) и заэвтектические (более 13% Sb), которые состоят из кристаллов сурьмы и эвтектики.

Правило отрезков. Пользуясь диаграммой состояния (рис. 1.2) для любого сплава данной системы, при любой температуре можно определить:

- фазовый состав;

- химический состав фаз;

- процентное соотношение фаз.

Рассмотрим, в качестве примера, сплав состава «b» (Pb+40%Sb). Через точку b1 , соответствующую интересующей температуре (Т), проведем параллельную оси концентраций линию до пересечения с основными линиями диаграммы в точках m и n. Эти точки указывают фазовый состав сплава в точке b1 - жидкость и сурьма (L + Sb). Если из точек m и n опустить перпендикуляры на ось концентраций, то получим возможность определить химический состав жидкости - 20% Sb. Количественное соотношение фаз определим из соотношений длин отрезков:

%L = ( b1 n / m n ) • 100; %Sb = ( m b1 / m n ) • 100. (1.1)

Из формул (1.1) видно, что объемная доля расплава (L) по мере охлаждения уменьшается (увеличивается длина отрезка mn), достигая минимальной величины в точке В и превращаясь в эвтектику. Объемная доля кристаллов сурьмы при этом увеличивается (увеличивается длина отрезка mb1) от нуля до максимального на линии эвтектического превращения.

При комнатной температуре (точка b3) сплав состоит из двух фаз - Pb и Sb, а количество структурных составляющих (эвтектики и сурьмы) определяется из соотношения длин отрезков:

%Э = ( b3 d / p d ) • 100; %Sb = ( p b3 / p d ) • 100. (1.2)

Ликвация. При некоторых условиях кристаллизации и охлаждения отливки из сплавов системы Pb - Sb могут получаться неоднородными. Неоднородность по химическому составу называется ликвацией.

Ликвация проявляется в том, что при очень медленном охлаждении доэвтектических сплавов кристаллы свинца оседают на дно, так как они тяжелее расплава, а в заэвтектических сплавах выделяющиеся при кристаллизации кристаллы сурьмы, напротив, будут всплывать.

Неоднородность сплавов данного типа называется ликвацией по удельному весу.

2. Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения для сплава, содержащего 5,5 С. Схематически изобразите микроструктуру, этого сплава при комнатной температуре

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линиюAHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в б-железе (д-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1% заканчивается по линии АН с образованием б (д)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в г-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 г-железа в б-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.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147-727єС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727єС (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 727єС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727єС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 - Ф,

где С - число степеней свободы системы;

К - число компонентов, образующих систему;

1 - число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 3,2% С, называется доэвтектическим чугуном. Его структура при комнатной температуре перлит + цементит (вторичный) + ледебурит (перлит + цементит).

Рис.2,1 Микроструктура сплава

а) б)

Рис. 2.2: а-диаграмма железо-цементит, б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 5,5% углерода

3. Назначьте режим закалки и отпуска напильника, изготовленного из стали У13. Приведите график термической обработки и, опишите как изменяется свойства стали после отпуска

Термической обработкой, обеспечивающей получение максимальной твердости инструментальной стали У13, является закалка с последующим низким отпуском.

Рис.3,1 - Схема термической обработки стали У13А

Сталь У13 в исходном (отожженном) состоянии имеет структуру зернистого перлита, низкую твердость (HB170-180) и хорошо обрабатывается резанием. Отжиг проводится при температуре 760-780єС.

Температура закалки инструментальной стали У13 равна 760-780єС, т.е. несколько выше Ас1, но ниже Асmдля того, чтобы в результате закалки сталь получала мартенситную структуру и сохраняла мелкое зерно и нерастворенные частицы вторичного цементита. Закалку проводят в водных растворах солей. Структура стали У13А после закалки мартенсит + цементит.

После закалки для снятия напряжений и стабилизации структуры и размеров изделия подвергают низкому отпуску. Температура нагрева составляет 160-180єС. Средой нагрева могут служить мало, расплав селитры, щелочи. Структура стали У13А после отпуска отпущенный мартенсит + цементит.

В результате сталь имеет твердость 61-63 HRC.

Углеродистую сталь У13 можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания материалов с малой скоростью, так их высокая твердость сильно снижается при нагреве выше 190-200єС.

Рис.3,1 - Микроструктура стали У13 в-после закалки, г-после отпуска

Посмотрим, какие же изменения происходят в закаленной стали при отпуске. Как мы уже видели, структура закаленной стали представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в железе, что вызывает сильные внутренние напряжения. Вследствие этого атомная решетка искажается, превращаясь из кубической в тетрагональную, а сталь приобретает хрупкость и легко разрушается при ударных нагрузках. Если же устранить внутренние напряжения, то, не снижая прочности и твердости стали, можно уменьшить хрупкость и тем самым существенно улучшить ее эксплуатационные свойства, что и достигается операцией отпуска с нагревом до температуры 150--200°С. Это так называемый низкий отпуск. Что же происходит при низком отпуске? Под действием повышенной температуры атомы углерода приобретают более высокую подвижность и благодаря этому выходят из твердого раствора. Они образуют с атомами железа химическое соединение -- карбид Fe2C При этом внутренние напряжения в атомной решетке железа уменьшаются, и в результате снижается хрупкость закаленной стали. Образующиеся карбиды имеют настолько малые размеры, что их невозможно обнаружить с помощью микроскопа, поэтому видимых изменений в микроструктуре после низкого отпуска не наблюдается. Зато свойства стали существенно улучшаются.

Низкий отпуск применяют в тех случаях, когда после закалки необходимо сохранить высокую твердость и износостойкость стали. Для завершения всех процессов, происходящих при низком отпуске, достаточно дать выдержку при температуре 200°С в течение 1 ч. Хотя при этом не весь углерод выходит из раствора, однако продолжение выдержки не дает существенных изменений. Твердость стали после низкого отпуска зависит от содержания в ней углерода. В высокоуглеродистых сталях, содержащих более 0,7% С, она бывает обычно в пределах HRC 59--63.

При повышении температуры отпуска до 200--300°С происходят изменения в структуре: остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит. В легированных сталях это превращение происходит при более высокой температуре. В некоторых высоколегированных сталях, например, в быстрорежущих, которые содержат до 35% остаточного аустенита, превращение его в мартенсит происходит при нагреве свыше 500°С.

При дальнейшем повышении температуры до 300-- 400°С в углеродистой закаленной стали полностью завершается процесс выделения углерода из твердого раствора. Карбид Fe2C преобразуется в знакомый нам цементит Fe3C. Иными словами, в результате отпуска при 300--400°С происходит распад мартенсита и образуется структура, состоящая из феррита, в котором будут равномерно распределены мельчайшие кристаллики цементита. Такая структура называется трооститом. Твердость троостита приблизительно HRC 45--50.

При повышении температуры отпуска до 450°С и более происходят существенные изменения как в структуре, так и в свойствах закаленной стали, обусловленные укрупнением цементитных частиц: мелкие частицы как бы сливаются с более крупными. Такой процесс называется коагуляцией цементита. При температуре отпуска свыше 450°С частицы цементита становятся настолько крупными, что их без труда можно различить при наблюдении под микроскопом. Такую ферритно-цементитную структуру, полученную в результате закалки и отпуска при указанной температуре, называют сорбитом. Таким образом, сорбит отличается от троостита только тем, что частицы цементита в нем более крупные. Твердость сорбита приблизительно HRC 30--45.

Если теперь повысить температуру отпуска до 600-- 650°С, то частицы цементита укрупнятся настолько, что структура по виду будет приближаться к обычному перлиту, который был до закалки. Тем не менее будут и отличия: перлит, полученный после закалки и отпуска, будет иметь более однородное мелкодисперсное строение. Это способствует улучшению свойств стали, и потому сочетание закалки с высоким отпуском носит названиеулучшения.

Отпуск закаленной стали в интервале температур 300--450°С принято называть средним, а отпуск в интервале температур 500--600°С -- высоким.

При среднем отпуске закаленной стали образуется трооститная структура, и сталь приобретает наиболее упругие свойства. Поэтому такой отпуск применяют при обработке рессорно-пружинных сталей.

При высоком отпуске образуется сорбитная структура. При этом значительно снижается твердость стали, но зато существенно повышается ее вязкость и сопротивление ударной нагрузке (ударная вязкость). Кроме того, как установлено исследованиями, высокий отпуск почти полностью (на 90--95%) устраняет внутренние напряжения, поэтому его применяют для многих ответственных деталей и инструментов, работающих в условиях динамической нагрузки: валов, шатунов, молотовых штампов и др.

Отпуск легированных сталей имеет существенные особенности. До температуры 150°С легирующие элементы не оказывают существенного влияния на процесс отпуска. Но при более высоких температурах такие элементы, как хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан и кремний, тормозят распад мартенсита, а также образование и рост (коагуляцию) карбидных частиц. Объясняется это тем, что как для распада мартенсита, так и для роста карбидных частиц необходима диффузия (перемещение) атомов углерода, а легирующие элементы препятствуют этому. Поэтому в углеродистых сталях мартенсит сохраняется только до 300--350°С, в легированных сталях -- до 450--500°С, а в высоколегированных он может сохраняться до еще более высоких температур. Это имеет важное практическое значение для деталей и инструментов, от которых требуется сохранение высокой твердости и износостойкости в условиях повышенной температуры.

Однако при отпуске легированных сталей наблюдается отрицательное явление, известное под названием отпускной хрупкости. Оно заключается в том, что в случае отпуска таких сталей при температурах 250-- 400°С или 500--550°С происходит падение сопротивления стали ударной нагрузке, т. е. возникает хрупкость. В первом случае хрупкость вызывается тем, что в интервале температур 250--400°С при распаде мартенсита образуются карбиды, которые выделяются преимущественно по границам кристаллов мартенсита. Это приводит к возникновению больших внутренних напряжений, а следовательно, к хрупкости. Для устранения такой хрупкости нужно провести повторный нагрев выше 400°С, однако при этом уже получится пониженная твердость. Во втором случае при отпуске в интервале температур 500--550°С хрупкость наблюдается, если охлаждение после отпуска было замедленным. Ученые полагают, что такая хрупкость вызывается диффузией к границам зерен фосфора и некоторых других элементов. Одни из легирующих элементов, например хром в сочетании с никелем, марганцем или кремнием, усиливают такую диффузию, а значит повышают хрупкость. Другие, как, например, вольфрам или молибден, тормозят диффузию, а следовательно, подавляют отпускную хрупкость. При быстром охлаждении после отпуска диффузия не успевает произойти, и отпускная хрупкость не наблюдается.

4. Расшифруйте марочный состав сталей и классифицируйте их по назначению

Марка стали	Расшифровка марки	Классификация по назначению
Ст3пс	Ст - Конструкционная сталь обыкновенного качества нелегированный 3 - процентное содержание углерода в стали (в десятых долях) пс - полуспокойная сталь	Несущие элементы сварных и несварных конструкций и деталей, работающих при положительных температурах, арматура класса Ат400С
45	45 - процентное содержание углерода в стали (в десятых долях) точнее ?0,42-0,50%	Вал-шестерни, коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели, бандажи, цилиндры, кулачки и другие нормализованные, улучшаемые и подвергаемые поверхностной термообработке детали, от которых требуется повышенная прочность.
А12	А - азот 12- процентное содержание азота в стали	Оси, валики, втулки, зубчатые колеса, шестерни, пальцы, винты, болты и другие малонагруженные мелкие детали сложной формы, обрабатываемые на станках-автоматах, и к которым предъявляются повышенные требования по качеству поверхности и точности размеров.
12Х2Н4А	12 - 12% углерод Х2 - 2% хром Н4 - 4% никель А - высококачественная	Зубчатые колеса, валы, ролики, поршневые пальцы и другие крупные особо ответственные цементуемые детали, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и поверхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок или при отрицательных температурах до -120 °С
ШХ4	Ш - сталь конструкционная подшипниковая Х4 - 4% хрома	кольца железнодорожных подшипников.
У8А	У - Сталь инструментальная нелегированная качественная 8 - количество углерода А - высококачественная	для инструмента, работающего в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: фрез, зенковок, топоров, стамесок, долот, пил продольных и дисковых, накатных роликов, кернеров, отверток, комбинированных плоскогубцев, боковых кусачек.
Х8ВФ	Х8 - 8% хрома В - вольфрам менее 1% Ф - ванадий менее1%	Печные трубы
Р10К5Ф5	Р10 - 10% бор К5 - 5% кобальт Ф5 - 5% ванадий	Ударные инструменты

Расшифруйте марки чугуна и укажите вид графита:

Марка чугуна	Расшифровка	Вид графита
СЧ15	СЧ - серый 15 -значение придела прочности	шаровидным графитом (ВЧШГ)
ВЧ40	ВЧ - высокопрочный 40 - минимальное значения временного сопротивления	шаровидным графитом (ВЧШГ)
КЧ33-8	КЧ - ковкий 33 - пределом прочности при растяжении 8 - относительным удлинением при разрыве	хлопьевидного графита



5. Расшифруйте марочный состав цветных сплавов

Марка сплава	Расшифровка марки
АМг4	А - Алюминий Мг4 - Магний 3,5-4,5
АК12	литейный сплав, который по действующим стандартам ГОСТ 1583-93 содержит до 90% алюминия, легируемого кремнием. Плюс ко всему в его состав входят малые добавки марганца, титана, никеля и других элементов.
Д18	Алюминиевый деформируемый сплав, (дюраль)
Л63	Латунь, обрабатываемая давлением. 62-65% меди, 35-38% цинк
ЛЦ36Мц2О2С2	Латунь, Ц36 - 36% Цинк Мц2 - 2% Марганец О2 - 2% Олово С2 - 2% Свинец
БрОС10-15	Оловянная бронза, содержащая 10 % олова и 15 % свинца
БрС30	Безоловянная бронза, содержащая 30 % свинца
Б83	Оловянные баббиты

Опишите каким способом производиться упрочнение сплава АМг и объясните природу упрощения:

Значительное упрочнение профилей из сплава АМг6 может быть достигнуто в результате холодной деформации. Так правка растяжением в пределах применяемых на практике степени деформации (2-3%) не оказывая заметного влияния на предел прочности профилей из сплава АМг6, значительно повышает предел их текучести. Относительное удлинение при этом понижается менее интенсивно, чем у других сплавов. Следует отметить, что такой характер изменения механических свойств профилей из сплава АМг6 при правке растяжением наблюдается независимо от условий отжига, предшествовавшего правке.

Эффект полученный при холодном упрочнении при сварке значительно уменьшается. Это сужает область применения нагартовочных полуфабрикатов, их в основном используют для изготовления элементов, скрепляемых заклепочными или болтовыми соединениями.

Термической обработкой сплав не упрочняется

Опишите строение, область применения композиционных материалов:

Композициомнный материамл , композимт -- искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). сплав диграммма кристаллизация

Область применения:

Товары широкого потребления

Спортивное оборудование

Медицина

Машиностроение

Авиация и космонавтика

Вооружение и военная техника

Размещено на Allbest.ru