Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Опишите виды твёрдых растворов. Приведите примеры

Твердые растворы - это фазы, содержание компонентов в которых может изменяться без нарушения типа кристаллической решетки основного компонента. В зависимости от способа размещения атомов в кристаллической решетке различают следующие типы твердых растворов - замещения, внедрения и вычитания.

Твердые растворы замещения. Такие растворы образуются в результате замены в кристаллической решетке части атомов одного компонента - растворителя на атомы другого (или других компонентов) без изменения типа этой решетки. В качестве компонентов, образующих твердый раствор замещения, могут быть чистые металлы или промежуточные фазы (в том числе химические соединения). Если твердые растворы на основе чистых металлов могут быть в широком интервале их концентраций, то твердые растворы на основе промежуточных фаз чаще всего существуют в сравнительно небольшом интервале концентраций, который оказывается часто совсем незначительным, особенно если в этих фазах имеются ионные связи. Твердые растворы замещения - это макроскопически однородные фазы, в которых атомы компонентов в любом объеме распределены статистически одинаково, хотя в атомном масштабе эта однородность распределения может быть нарушена в результате появления отдельных скоплений (кластеров) из атомов компонентов.

Как правило, при переходе в упорядоченное состояние растет твердость сплавов, снижается пластичность и резко изменяются многие физические свойства. Известен ряд видов ближнего порядка - жидкоподобный, микродоменный и локальный дальний (или К-состояние). Образование ближнего порядка проявляется в росте упрочнения сплавов и в изменении физических свойств.

Твердые растворы внедрения. Эти твердые растворы образуются на основе металлов с такими неметаллами, как углерод, азот, водород, бор и др. При этом атомы неметалла занимают окта- или тетра-эдрические поры в решетке металла. Образование подобных твердых растворов возможно в том случае, когда атомы неметаллов имеют существенно меньшие размеры, чем атомы металла. Подобные твердые растворы не могут быть непрерывными, поскольку не может быть непрерывного перехода от атомов металла к неметаллу. Твердые растворы внедрения могут быть упорядоченными, когда атомы внедрены лишь в определенные и закономерно расположенные поры в решетке металла. Известно пять типов упорядоченных твердых растворов внедрения на базе металлической ГЦК решетки и четыре типа на основе металлической ОЦК решетки.

Твердые растворы вычитания. Эти растворы образуются на основе некоторых промежуточных фаз и химических соединений и характеризуются дефектной решеткой, т.е. решеткой со свободными (или с незанятыми) узлами, которые должны были принадлежать атомам одного из компонентов. Эти свободные узлы могут возникать под влиянием изменения концентрации одного из компонентов. Такие твердые растворы вычитания могут возникать независимо от того, являются ли эти компоненты металлами или один из них металл, а другой - неметалл.

Таким образом, твердые растворы - это фазы, содержание компонентов в которых может изменяться без нарушения типа кристаллической решетки основного компонента. В зависимости от способа размещения атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения, внедрения и вычитания.

2. Дайте определение твердости. Какими методами измеряют твёрдость металлов и сплавов? Опишите их

твердый раствор металл изотермический

Твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство металла, отличающееся от других его механических свойств способом измерения.

В лабораторных и заводских условиях применяют различные способы определения твердости металлов для характеристики их механических свойств. Твердость металлов измеряют при помощи воздействия на поверхность металла наконечника, изготовленного из малодеформирующегося материала (твердая закаленная сталь, алмаз, сапфир или твердый сплав) и имеющего форму шарика, конуса, пирамиды или иглы. Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием наконечника (способ вдавливания), царапанием поверхности (способ царапания), ударом или же по отскоку наконечника-шарика. Твердость, определенная царапанием, характеризует сопротивление разрушению (для большинства металлов путем среза); твердость, определенная по отскоку, характеризует упругие свойства; твердость, определенная вдавливанием, - сопротивление пластической деформации.

Наибольшее применение получило измерение твердости вдавливанием. В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным металлом. В таких условиях испытания, близких к всестороннему неравномерному сжатию, возникают главным образом касательные напряжения, а доля растягивающих напряжений незначительна по сравнению с получаемыми при других видах механических испытаний (на растяжение, изгиб, кручение, сжатие). При измерении твердости вдавливанием пластическую деформацию испытывают не только пластичные металлы, но и металлы (например, чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются хрупко почти без макроскопически заметной пластической деформации.

Таким образом, твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство металла, отличающееся от других его механических свойств способом измерения.

Я.Б. Фридман предложил рассматривать измерения твердости как «местные механические испытания поверхностных слоев материала». Преимущества измерения твердости следующие:

1. Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности), существует количественная зависимость. Величина твердости характеризует предел прочности металлов, получающих в испытаниях на растяжение сосредоточенную пластическую деформацию (шейку), а именно сталей (кроме сталей с аустенитной и мартенситной структурой) и многих цветных сплавов. Это связано с тем, что при испытаниях на растяжение наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению и отнесенной к его первоначальной площади (предел прочности), отвечает сосредоточенная пластическая деформация (образование шейки), а не разрушение образца. Такая пластическая деформация аналогична деформации, создаваемой в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавливанием наконечника.

Подобная количественная зависимость не наблюдается для хрупких материалов, которые при испытаниях на растяжение (или сжатие, изгиб, кручение) разрушаются без заметной пластической деформации, а при измерении твердости получают пластическую деформацию. Однако в ряде случаев и для этих металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью; возрастанию твердости обычно соответствует увеличение предела прочности на сжатие. По значениям твердости можно определять также и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.

2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и выполняются непосредственно на проверяемых деталях после зачистки на поверхности ровной горизонтальной площадки, а иногда даже и без такой подготовки. Измерения твердости выполняются быстро, например, при вдавливании конуса за 30-60 с, а при вдавливании шарика за 1 - 3 мин.

3. Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов из детали.

4. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способов измерения твердости) десятых долей миллиметра или в микрообъемах металла; в последнем случае измерения проводят способом микротвердости.

Многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных по структуре и свойствам слоев металла, например поверхностного слоя цементованной, азотированной или закаленной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Методом определения микротвердости можно также измерять твердость отдельных составляющих в сплавах. Для полной характеристики свойств металла необходимо наряду с измерением твердости проводить остальные механические испытания. Поскольку при измерении твердости в большинстве случаев детали не разрушаются, то эти измерения можно применять для сплошного контроля деталей, в то время как определения характеристик прочности и пластичности проводят в качестве выборочного контроля. Следует различать два способа определения твердости вдавливанием: измерение твердости (макротвердости) и измерение микротвердости.

Измерение твердости (макротвердости) характерно тем, что в испытуемый материал вдавливается тело, проникающее на сравнительно большую глубину, зависящую, прежде всего от величины прилагаемой нагрузки и свойств металла. Кроме того, во многих испытаниях вдавливается тело значительных размеров, например стальной шарик диаметром до 10 мм, в результате чего в деформируемом объеме оказываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава в количествах и с расположением, характерными для измеряемого материала. Измеренная твердость должна в этом случае характеризовать твердость всего испытуемого материала.

Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависит от целей испытания, структуры, ожидаемых свойств, состоянии поверхности и размеров испытуемого образца. Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, цветные подшипниковые сплавы), то для испытания твердости следует выбирать шарик большого диаметра. Если же металл имеет сравнительно мелкую и однородную структуру, то малые по объему участки испытуемого металла могут быть достаточно характерными для оценки свойств материала в целом и, в частности, его твердости. В этих случаях испытания можно проводить вдавливанием тела меньшего размера, например алмазного конуса или пирамиды, и на меньшую глубину, и, следовательно, при небольшой нагрузке.

При испытании металлов с высокой твердостью, например закаленной или низко отпущенной стали, приведенное условие является даже обязательным, поскольку вдавливание стального шарика или алмаза с большой нагрузкой может вызывать деформацию шарика или скалывание алмаза. Однако значительное снижение нагрузки нежелательно, так как это приведет к резкому уменьшению деформируемого объема и может дать значения, не характерные для основной массы металла. Па-грузки и размеры получаемых в материалах отпечатков не должны быть меньше определенных пределов.

Цель измерения микротвердости состоит в определении твердости отдельных зерен, фаз и структурных составляющих сплава (а не «усредненную» твердость, как при измерении макротвердости). В данном случае, объем, деформируемый вдавливанием, должен быть меньше объема (площади) измеряемого зерна, поэтому прилагаемая нагрузка выбирается небольшой. Кроме того, микротвердость измеряют для характеристики свойств очень малых по размерам деталей.

У полимерных материалов измерение твердости дает меньше информации об их свойствах, так как между твердостью и прочностью этих материалов нет определенной зависимости. Результаты измерений являются лишь дополнительной характеристикой свойств полимерных материалов

Значительное влияние на результаты испытаний твердости оказывает состояние поверхности измеряемого материала. Если поверхность неровная (криволинейная или с выступами), то отдельные участки в различной степени участвуют в сопротивлении вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в измерении. Чем меньше нагрузка для вдавливания, тем более тщательно должна быть подготовлена поверхность. Она должна представлять шлифованную горизонтальную площадку, а для измерения микротвердости - полированную (в этом случае при изготовлении шлифа нельзя допускать наклепа в поверхностном слое).

Измеряемая поверхность должна быть установлена горизонтально, т.е. перпендикулярно действию вдавливаемого тела. Противоположная сторона образца также должна быть зачищена и не иметь окалины, так как последняя при нагружении образца сминается, что искажает результаты измерения.

Измерение твердости вдавливанием шарика (твердость по Бринеллю).

Способ измерения твердости вдавливанием шарика используется для определения твердости, как металлов, так и полимерных материалов. В материал вдавливается стальной шарик и по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком, определяют значение твердости. Шарик вдавливается с помощью пресса. А некоторых конструкциях давление осуществляется гидравлическим способом, а в других - грузами, передвижение которых осуществляется электродвигателем.

Измерение твердости вдавливанием конуса или шарика (твердость по Роквеллу). Принципиальное отличие измерения твердости по способу Роквелла от измерения по способу Бринелля состоит в том, что твердость определяют по глубине отпечатка, получаемого при вдавливании алмазного конуса или стального шарика, а не по площади отпечатка. По Роквеллу можно изменять нагрузку в широких пределах, без изменения значений твердости, так как при вдавливании конуса сохраняется закон подобия, а условия деформации под вершиной конуса с увеличением давления не изменяются.

Измерение твердости вдавливанием алмазной пирамиды (твердость по Виккерсу). При измерении твердости по способу Виккерса в металл вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом в вершине 136° и твердость характеризует площадь получаемого отпечатка. При вдавливании пирамиды соотношение между диагоналями получающегося отпечатка при изменении нагрузки остается постоянным, что позволяет в широких пределах в зависимости от целей исследования увеличивать или уменьшать нагрузку.

Таким образом, существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием наконечника (способ вдавливания), царапанием поверхности (способ царапания), ударом или же по отскоку наконечника-шарика.

3. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,2% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?



Т,^оС

1536^оСА

1500

1400

N 1392^оС

1300

1200

1100

1000

900

800

700

600

Q

Рис. 1 - Диаграмма состояния железо-карбид железа

Тв. р. - твердый раствор; А - аустенит (твердый раствор); Ц -цементит; П - перлит; Л- ледебурит; Ц_I- первичный цементит; Ц_II -вторичный цементит; Ф - феррит (- твердый раствор).

На диаграмме состояния железо-карбид железа (рис. 1) даны фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (2,2% С).

Система Fe-Fe₃C метастабильная. Образование цементита вместо графита дает меньший выигрыш энергии Гиббса, однако кинетическое образование карбида железа более вероятно.

На диаграмме Fe-Fe₃C точка А (1536°С) отвечает температуре плавления железа. Линия FKL соответствует цементиту, на базе которого возможно образование твердого раствора (предполагается, что растворимость компонентов в цементите невелика). Точки N (1392 °С) и G (911°С) соответствуют полиморфному превращению.

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния Fe-Fe₃C следующая: В - 0,51% С в жидкой фазе, находящейся в равновесии с б-ферритом и аустенитом при перитектической температуре 1493^оС; Н - 0,1% С (предельное содержание в -феррите при 1490°С); J - 0,16% С в аустените при перитектической температуре 1490°С; Е - 2,2% С (предельное содержание в аустените при эвтектической температуре 1147°С); S - 0,8% С в аустените при эвтектоидной температуре 723°С; Р - 0,02% С (предельное содержание в феррите при эвтектоидной температуре 723°С).

Кристаллизация сплавов Fe-Fe₃C. Линии диаграммы состояния Fe-Fe₃C, определяющие процесс кристаллизации, имеют следующие обозначения и физический смысл.

АВ (линия ликвидус) показывает температуру, ниже которой происходит кристаллизация -феррита (Ф) из жидкого сплава (Ж); ВС (линия ликвидус) соответствует температуре начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава (Ж); CD (линия ликвидус) соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (Fe₃C_I) из жидкого сплава (Ж); АН (линия ликвидус) является температурной границей области жидкого сплава и кристаллов -феррита (Ф); ниже этой линии существует только -феррит; HJВ - линия перитектического нонвариант-ного (С = 0) равновесия (1490°С); по достижении температуры, соответствующей линии HJB, протекает перитектическая реакция (жидкость состава точки В взаимодействует с кристаллами -феррита состава точки Н g с образованием аустенита состава точки J). Линия ECF (линия солидус) соответствует кристаллизации эвтектики - ледебурит.

В сплавах, содержащих 2,2% С, при перитектической температуре в результате взаимодействия между -ферритом и жидкой фазой образуется аустенит, но некоторое количество жидкой фазы остается. Поэтому при температурах ниже линии JВ сплав будет двухфазным: аустенит + жидкость. Процесс кристаллизации закончится по достижении температур, соответствующих линии солидус JE. После затвердевания сплавы приобретают однофазную структуру - аустенит.

Первичные кристаллы аустенита (так же, как и -феррита) имеют вид дендритов, величина и строение которых определяются перегревом металла выше линий ликвидус, его составом и условиями охлаждения в процессе кристаллизации.

При температуре 1147^оС аустенит достигает предельной концентрации, соответствующей точке Е (2,2% С), а оставшаяся жидкость - эвтектического состава точки С (4,3% С).

При температуре эвтектики (линия ECF) существует нон-вариантное (С - 0) равновесие аустенита состава точки Е (А_Е), цементита состава точки F (Fe_sC) и жидкой фазы состава точки С (Ж_с). В результате кристаллизации жидкого сплава составе точки С (4,3 % С) образуется эвтектика - ледебурит, состоящая в момент образования из аустенита состава точки Е и цементита состава точки F.

Доэвтектические сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит + ледебурит (А + Fe_aC). Эвтектический сплав (4,3% С) затвердевает при постоянной температуре е образованием только эвтектики - ледебурита.

Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. При медленном охлаждении образуется сотовый ледебурит, представляющий собой пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита. Пластинчатый ледебурит состоит из тонких пластин цементита, разделенных аустенитом, и образуется при быстром охлаждении. Сотовое и пластинчатое строение нередко сочетается в пределах одной эвтектической колонии.



t^оС

1600 - 1536^оС

--------------------------------------------------------------------------------- АС

1400 АГ -------------------------------------------------------1392^оС-- АС₄

АГ₄

1200

1000 --------------------------------------911^оС -АС₃

АГ₃

800

АГ₂ 769-^оС-------------------------- АС₂

600

охлаждение нагрев

400

200

0

Рис. 2 - Кривая охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,2% С (белого чугуна)

Таким образом, структура сплава железо-карбид железа при комнатной температуре имеет в содержании 2,2% С и называется белым чугуном.

4. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8. Нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твердости 150 НВ. Укажите, как этот режим называется, и какая структура получается в данном случае

У8 - углеродистая инструментальная сталь (ГОСТ 1435-74). Это кислая сталь, легированная Cr и Мn или Cr и Ni, в составе которой основные компоненты - Cr - 0,2%, Ni - 0,2-0,3%, Мn - 0,2-0,4%. Жаропрочность стали придает Si - от 0,5 до 2,4%. Выплавка производится в электропечах. Повышенная прочность достигается за счет холодной деформации при толщине <2 мм - на воздухе, при толщине > 2 мм - в воде. Карбидная фаза - цементит, коагулирующий при сравнительно низких температурах (не выше 190-225^оС). Чтобы получить твердость до 150 НВ/м² по Бринеллю необходимо провести изотермическую обработку при температуре от 1000 до 1200^оС, а затем закаливание в воде (аустенизацию). Сталь получит структуру феррит + аустенит. Такую сталь применяют для изготовления цистерн, сосудов, труб, конструкционных деталей криогенной техники.

t^оС

1200 А₁

Феррит + аустенит

1000 А₃

Вторичный цементит

800

Перлит

600

400

Цементит

200

0

Секунды

Минуты

Часы

Рис. 3 - Диаграмма изотермического превращения аустенита для стали У8

5. С помощью диаграммы состояния железо-цементит обоснуйте выбор режима термической обработки, применяемой для устранения цементитной сетки в заэвтектоидной стали. Дайте определение выбранного режима обработки и опишите превращения, которые происходят при нагреве и охлаждении

.

^oC A

1539

Ликвидус I

солидус II Эвтетика Ф+У III

Ф+а Солидус

1145 А IV

V VI VII

910 A₃

G

Р A₁

723

IX X XI XII

Рис. 4 - Диаграмма железо-цементит. I - жидкий сплав;II - жидкость + аустенит; III - жидкость + цементит; IV - аустенит; V - аустенит + вторичный цементит; VI - вторичный цементит + ледебурит + аустенит; VII - первичный цементит + ледебурит; VIII - феррит + перлит; IX феррит + перлит; X - перлит + вторичный цементит; XI - перлит + вторичный цементит + ледебурит; XII - ледебурит + вторичный цементит

Наличие цементита в стали повышает её твердость, хрупкость и снижает пластичность. Отжиг - фазовая перекристаллизация, нагрев заэвтектоидной стали выше точки А_т с последующим охлаждением вместе с печью. При полном отжиге структура сплава заэвтектоидной стали состоит из перлита и вторичного цементита. Отжиг снимает внутренние напряжения, понижает твердость и повышает пластичность, устраняет структурную неоднородность стали.

Неполный отжиг - нагрев выше точки А_м но ниже А₃; происходит неполная фазовая перекристаллизация. Нормализация - нагрев выше точки А₃, охлаждение на воздухе, измельчает зерно и повышает прочность. Закалка - нагрев выше точки А₃, быстрое охлаждение в воде или масле; повышает твердость и прочность.

Регулируя скорость охлаждения, можно получать промежуточные превращения аустенита, в результате чего образуются структуры мартенсита, троостита и сорбита.

Структура мартенсита образуется в результате перехода решетки твердого раствора у-железа (аустенита) в решетку твердого раствора и железа (феррита) без выделения углерода из раствора. Переход у-железа в а-железо сопровождается изменением объемов кристаллических решеток, что вызывает появление внутренних дополнительных напряжений. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе с искаженной кристаллической решеткой. Сплав со структурой мартенсита обладает большой твердостью и прочностью.

Структура троостита образуется в результате превращения аустенита и представляет собой смесь феррита и цементита с высокой дисперсностью. Игольчатый троостит называется бейнитом. Троостит получается при более медленном охлаждении и имеет меньшую твердость и прочность, чем мартенсит.

Структура сорбита образуется в результате превращения аустенита при более медленном охлаждении, чем у троостита. Сорбит - грубая дисперсная смесь феррита и цементита.

Структура перлита образуется в результате медленного охлаждения сплава вместе с печью и является у заэвтектоидных сталей конечной структурой распада аустенита - перлит и цементит.

Если после проведения неполного отжига цементит остается пластинчатым, применяют так называемый циклический, или маятниковый отжиг. В этом случае после нагрева выше Ас_х изделие охлаждают до температуры примерно 680°С, затем вновь нагревают до 740-750 °С и опять охлаждают до 680 °С, повторяя циклы нагрев - охлаждение несколько раз. В результате перлит получается зернистым, и сталь будет пластичной.

Иногда с целью экономии времени проводят изотермический отжиг. При таком отжиге изделие нагревают выше критических точек, быстро охлаждают до температуры на 50-100^оС ниже Ас_х и выдерживают при этой температуре в течение времени, необходимого для полного превращения аустенита в перлит. Затем изделие охлаждают на спокойном воздухе.

Таким образом, цементная сетка распадается, происходит химическое соединение железа с углеродом, которая смешивается с ферритом, образуя механическую смесь в виде перлита.

Литература

1. Геллер Ю.А. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи / Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт; Под общ. ред. проф. А.Г. Рахштадта. - Изд.5-е, доп. и перераб. - М.: Металлургия, 1983. - 384 с.

2. Материаловедение: учебник для втузов / Под ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1986. - 236 с.

3. Научные основы материаловедения / Под ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994. - 366 с.

4. Технология конструкционных материалов: учебник для вузов. - М.: Машиностроение, 1977. - 664 с.

5. Технология металлов и материаловедение / Б.В. Кнорозов, Л.Ф. Усова, А.В. Третьяков и др.; Под ред. Л.Ф. Усовой. - М.: Металлургия, 1987. - 800 с.

6. Циммерман, Р. Металлургия и материаловедение: справочник / Р. Циммерман, К. Гюнтер; Под ред. П.И. Полухина, М.Л. Бернштейна; Пер. с нем. Б.И. Левина, Г.М. Ашмарина. - М.: Металлургия, 1982. - 480 с.

Размещено на Allbest.ru