Материаловедение

Материаловедение

Вариант № 21

К/р № 1

1. Как устанавливается температура порога рекристаллизации металла и сплава? Приведите несколько конкретных примеров

Наименьшую температуру начала рекристаллизации (см. рис. 59), при которой протекает рекристаллизация и происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации.

Эта температура не является постоянной физической величиной, как, например, температура плавления. Для данного металла (сплава) она зависит от длительности нагрева, степени предварительной деформации, величины зерна до деформации и т. д. Температурный порог ре-кристаллизации тем ниже, чем выше степень деформации, больше длительность нагрева или меньше величина зерна до деформации.

Температура начала рекристаллизации металлов, подвергнутых значительной деформации для технических чистых металлов составляет примерно 0,4 Тпл. (правило А.А.Бочарова), для более чистых металлов она снижается до 0,1 - 0,2 Тпл., а для сплавов твердых растворов 0,5 - 0,6 Тпл., а в некоторых случаях достигает 0,8 Тпл. Для алюминия технической чистоты температурный порог рекристаллизации равен 100 °С. Практический отжиг проводят при 250-400 °С.

2. 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 0,3% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Диаграмма железоуглеродистых сплавов может быть представлена в двух вариантах: метастабильном, отражающем превращения в системе “железо-карбид железа”, и стабильном, отражающем превращения в системе “железо-графит”. Наибольшее практическое значение имеет диаграмма состояния “железо-карбид железа”, т.к. для большинства технических сплавов превращения реализуются по этой диаграмме. Карбид железа (Fe3C) называют цементитом, поэтому метастабильную диаграмму железоуглеродистых сплавов называют диаграммой состояния “железо-цементит” (Fe-Fe3C).

Компоненты и фазы в железоуглеродистых сплавах

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо и углерод, которые относятся к полиморфным элементам. В железоуглеродистых сплавах эти элементы взаимодействуют, образуя различные фазы. Под фазой в общем смысле понимается однородная часть системы, имеющая одинаковый химический состав, физические свойства и отделенная от других частей системы поверхностью раздела. Взаимодействие железа и углерода состоит в том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Помимо этого он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом в железоуглеродистых сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, цементит.

Диаграмма состояния железо-цементит представлена на рис.1.

Рис.1. Диаграмма состояния железо-цементит

Компонентами в данной системе являются- железо и цементит.

Железо: металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26, атомный радиус 0,127 нм. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержи»: 99,999 % Fе, а технические сорта 99,8-99,9% Fe. Температура плавления железа 1539°С. Железо имеет две кристаллографические модификации: кубическую объемно-гентрированную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную (ГЦК) кристалллические решетки. Железо с ОЦК решеткой существует в двух температурных иннах: до 911°С и от 1392°С до 1539°С. До температуры 768°С железо ферромагнитно и его называют -железо (), а выше этой температуры - парамагнитно. Критическую точку (768°С), соответствующую магнитному превращению, т.е. переходу из ферро-магнитного состояния в парамагнитное называют точкой Кюри и обозначают А.Парамагнитное железо с ОЦК решеткой обозначают -железо (Fе). А железо в интервале температур 1392-1539°С обозначают железо (Fe). В настоящее время нередко не различают Fe, Fe и Fe и называют железо с ОЦК решеткой - Fe различая только низкотемпературное Fe и высокотемпературное Fe. Период ОЦК решетки зависит от температуры: у низкотемпературного Fe-0,28606 нм, а у высокотемпературного Fe- 0,3649 нм.

В интервале температур 911°-1392°С железо имеет ГЦК-решетку и называется -железо (Fe). Критическую точку ( рис. 1) превращения при 911°С обозначают АЗ, а критическую точку ( рис. 1) при 1392°С обозначают А4. Период ГЦК решетки равен 0,364 нм. ГЦК решетка более, компактна, чем ОЦК решетка. В связи с этим при переходе Fe в Fe объем железа уменьшается приблизительно на %. Fe парамагнитно.

Железо может растворять различные элементы, образуя с неметаллами твердые растворы внедрения, а с металлами твердые растворы замещения. Механические свойства технического железа характеризуются следующими величинами: предел прочности при растяжении 120МПа. Относительное удлинение 50%, относительное сужение твердость НВ80. Эти показатели могут изменяться в некоторых пределах, т.к. на свойства железа влияет размер зерна, температура, наличие примесей.

Цементит (обозначают Ц) - карбид железа (практически постоянного состава) химическое соединение углерода с железом - Fe3С, содержащее углерода 6,67%. Цементит имеет сложную ромбическую peшетку с плотной упаковкой атомов.

Цементит слабо ферромагнитен и теряет ферромагнетизм при температуре 210°С (критическая точка Ао). Температуру плавления цементита трудно, определить в связи с его распадом при нагреве. Она установлена равной 1260°С при нагреве лазерным лучем.

Механические свойства характеризуются высокой твердостью (>НВ800), но чрезвычайно низкой, практически нулевой, пластичностью. Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов, а атомы железа - металлами. Такой твердый раствор на базе цементита называется легированным цементитом.

На диаграмме Fe- Fe3С присутствуют следующие фазы: жидкий раствор ( L ), феррит ( ф, Fe),аустенит (А, Fe(с)) и цементит (Ц).

Феррит - твердый раствор углерода в -железе. Предельная растворимость углерода в низкотемпературном Fe= 0,02 % (т. P рис. 1), а в высокотемпературном Fe= 0,1 % (т. Н рис. 1). Столь низкая растворимость углерода в Fe обусловлена малым размером межатомных пор в ОЦК решетке. Значительная доля атомов углерода вынуждена размещаться в дефектах (вакансиях, дислокациях).

Феррит - мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: = 300 МПа; = 40%; =70%; KCU = 2,5 МДж/м2; НВ 80-100.

Аустенит - твердый раствор углерода в -железе. Предельная растворимость углерода в Fe= 2,14% (т. Е рис.1).

Механические свойства аустенита характеризуются меньшей пластичностью и большей прочность и твердостью (НВ 160-200), чем у феррита.

Линии диаграммы (рис.1):

1. АВСD - линия ликвидус

АНJECFD - линия солидус.

HJB - линия перитектического превращения (t - 1499°С).

В результате перитектической реакции образуется аустенит:

Реакция наблюдается только у сплавов, содержащих углерода от 0,1 до 0,51%. Причем, в сплавах, содержащих углерода от 0,1% до 0,16% после завершения реакции в избытке остается феррит, а в сплавах, содержащих углерода от 0,16% до 0,51% в избытке остается жидкость. Это связано с тем, что перитектическая реакция протекает при строгом количественном соотношении фаз, если какой-то из фаз вступает в реакцию больше оптимального количества - то она остается в избытке. Необходимое количество реагирующих фаз в данной системе определяется т. J (рис.1)

4.ECF - линия эвтектического превращения ( t°C - 1147°C).

В результате эвтектической реакции из жидкой фазы образуется смесь аустенита и цементита. Эта эвтектическая смесь называется ледебуритом (Л)

Реакция протекает у всех сплавов системы, содержащих углерода более 2,14%. Состав смеси при температуре 727°С изменяется, т.к. аустенит превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит-смесь перлита и цементита. В ледебурите цементит, образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости (> НВ 700) и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

5. PSK - линия эвтектоидного превращения (t°С=727°С). В результате эвтектоидного превращения из аустенита образуется смесь феррита и цементита. Эта эвтектоидная смесь называется перлитом (П); имеет вид перламутра, почему эта структура и получила такое название.

Эвтектоидное превращение протекает во всех сплавах системы, содержащих углерода более 0,02%.

Критические точки згой линии обозначают A. Перлит может иметь зернистое, но чаще имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей со следующими механическими свойства-ми: =800900 МПа; =450 МПа; б16%; НВ 180-220.

6. МО. - линяя магнитного превращения (t°С=727°С). При нагреве ферромагнитный феррит превращается в парамагнитный а при охлаждении наоборот.

7. ES - линия сольвус. Эта линия характеризует изменения концентрации углерода в аустените при изменении температуры. С понижением температуры от 1147°С до 727°С предельная растворимость углерода в аустените понижается от 2,14% до 0,8%, следовательно при охлаждении из аустенита выделяется цементит, называемый вторичным (Ц). (Цементит кристаляизующийся из жидкого раствора называется первичным). Линию ES еще называют линией вторичного цементита. Цементит вторичный образуется во всех сплавах содержащих углерода более 0,8%.

8. PQ - линия сольвус. Эта линия характеризует изменение концентрации углерода в феррите при изменении температуры. С понижением температуры от 727°С до комнатной предельная растворимость углерода в феррите понижается от 0,02% до 0,006%, следовательно, при охлаждении из феррита выделяется цементит, называемый третичным (Цш). Линию РQ еще называют линией третичного цементита. Во всех сплавах, содержащих углерода более 0,02% происходит образование Цш, но его пластинки нарастают на уже имеющиеся пластинки цементита и поэтому структурно неразличимы.

Проанализируем превращения, протекающие в сплаве, построив кривую охлаждения заданного сплава с применением правила фаз;

Правило фаз устанавливает количественную зависимость между числом степеней свободы (с), числом компонентов (к), образующих систему и числом фаз (Ф), находящихся в равновесии: С=К - Ф +1. Под числом степеней свободы (вариантностью системы) понимают возможность изменения температуры, давления и концентрации без изменения числа фаз, находящихся в равновесии. Следовательно, если в точке диаграммы С=0, то на кривой охлаждения - площадка, а если С=1, то на кривой охлаждения - изменение скорости (перегиб). Все сплавы изучаемой системы можно разделить на две группы: стали, чугуны. Стали содержат углерода 0,02% до 2,14, а чугуны от 2,14% до 6,67%.

По структуре стали различаются на доэвтектоидные (от 0,02%-0,8% С), эвтектоидные (0,8%С) и заэвтектоидные (0,8% - 2,14%С).

Чугуны по структуре различаются на доэвтектические (от 2,14%-4,3%С), эвтектические (4,3%С) и зазвтектические (4,3% - 6,67%С).

Рассмотрим кристаллизацию некоторого сплава с содержащего 0,3% С (доэвтэктоидная сталь):

Кристаллизация сплава начинается при температуре т.1 (C=1):

из жидкой фазы кристаллизуется феррит; состав которого по мере кристаллизации до температуры т.2 (C=0) изменяется по линии (1-Н), а состав жидкой фазы по линии (1-B). При температуре т.2 в сплаве протекает перитектическое превращение с избытком жидкой фазы (Ж), т.к. требуемое количество

а в т.2 количестве

При охлаждении сплава в интервале температур от т.2 до т.З (С=1) происходит превращение оставшегося после перитектической реакции жидкости в аустенит. Ниже температуры т. З состоит из однородного аустенита. При охлаждении сплава в интервале температур от т.З до т.4 (С=1) превращений в нем не происходит. При температуре т.4 в сплаве начинается превращение аустенита в феррит, при этом состав оставшегося аустенита изменяется по линии (4-5) т.е. аустенит обогащается углеродом. Это превращение продолжается до t°С --727°С, т.е. до т.5'. При этой температуре весь аустенит, содержащий 0,8%°C переходит в перлит который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали (Ф+П).

По мере охлаждения сплава от температуры т.5 до комнатной из феррита, входящего в состав перлита будет выделяться Цш но он, как указывалось выше, будет структурно неразличим.

Кривая превращения при охлаждении

3. После закалки углеродистой стали была получена структура мартенсит + цементит. Нанесите на диаграмму состояния железо-цементит ординату (примерно) обрабатываемой стали, укажите температуру ее нагрева под закалку. Опишите превращения, которые произошли при нагреве и охлаждении стали.

Наносим на диаграмму состояния железо-цементит ординату (примерно) обрабатываемой стали, выбираем температуру равную 740 и содержание углерода 1,0. Подвергаем сталь неполной закалке. После закалки заэвтектоидная сталь Аустенит + цементит после охлаждения с критической скоростью в холодной воде (или воду с добавками соли или едкого натра) приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита.

К/р № 2

Для некоторых деталей в самолето- и ракетостроении применяются титановые сплавы ВТЗ-1; ВТ14. Укажите их состав, назначьте режим термической обработки и обоснуйте его выбор. Опишите микроструктуру сплавов и причины их использования в данной области.

Титановые сплавы, сплавы на основе титана. Лёгкость, высокая прочность в интервале температур от криогенных (-250 °С) до умеренно высоких (300--600 °С) и отличная коррозионная стойкость обеспечивают Титановые сплавы хорошие перспективы применения в качестве конструкционных материалов во многих областях, в частности в авиации и других отраслях транспортного машиностроения.

Титановые сплавы получают путём легирования титана следующими элементами (числа в скобках -- максимальная для промышленных сплавов концентрация легирующей добавки в % по массе): Al (8), V (16), Mo (30), Mn (8), Sn (13), Zr (10), Cr (10), Cu (3), Fe (5), W (5), Ni (32), Si (0,5); реже применяется легирование Nb (2) и Та (5). Как микродобавки применяются Pd (0,2) для повышения коррозионной стойкости и В (0,01) для измельчения зерна. Легирующие добавки имеют различную растворимость в a и b-Ti и изменяют температуру a/b-превращения. Алюминий, а также кислород и азот, предпочтительнее растворяющиеся в a-Ti, повышают эту температуру по мере увеличения их концентрации, что ведёт к расширению области существования a-модификации; такие элементы называются a-стабилизаторами. Sn и Zr хорошо растворяются в обеих аллотропических модификациях титана и очень мало влияют на температуру «a/b-превращения; они относятся к так называемым нейтральным упрочнителям. Все остальные добавки к промышленным Титановые сплавы предпочтительнее растворяются в b-Ti, являются b-стабилизаторами и снижают температуру полиморфного превращения титана. Их растворимость в a и b-модификациях титана меняется с температурой, что позволяет упрочнять сплавы, содержащие эти элементы, путём закалки и старения.

В связи с наличием полиморфизма титана и его способностью образовывать твёрдые растворы и химические соединения со многими элементами диаграммы состояния Титановые сплавы отличаются большим разнообразием. Однако в промышленных Титановые сплавы концентрация легирующих элементов, как правило, не выходит за пределы твёрдых растворов на основе a-Ti и b-Ti и металлидные фазы обычно не наблюдаются.

Табл. 1. -- Химический состав промышленных титановых сплавов

Страницы: 1, 2