Материаловедение

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

КГУ

Предмет: Материаловедение

Контрольная работа № 1

Студентки гр. ТСЗ – 168

Факультет ТС

Специальность _190702_

Шифр _____370011___

(номер зачетной книжки)

Овсянова Н.Л.

Вариант № 11

Преподаватель: Савиных Л.М.

Курган 2008 г.

Содержание

1. Опишите линейные несовершенства кристаллического строения. Как они влияют на свойства металлов и сплавов?

2. В чём различие между упругой и пластической деформацией? Между хрупким и вязким разрушением?

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 0,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

4. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твёрдости 50 HRC. Укажите, как это режим называется, опишите сущность превращения, и какая структура получается в данном случае.

5. С помощью диаграммы состояния железо – цементит опишите структурные превращения, происходящие при нагреве стали У12. Укажите критические точки и выберите оптимальный режим нагрева этой стали под закалку. Охарактеризуйте процесс закалки, опишите получаемую структуру и свойства стали.

1. Опишите линейные несовершенства кристаллического строения. Как они влияют на свойства металлов и сплавов?

Основными линейными дефектами являются дислокации. Априорное представление о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и Тейлером при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла.

Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рис. 1.1)

Неполная плоскость называется экстраплоскостью.

Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.

Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 1.2).

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная (), если в нижней, то – отрицательная (). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.

Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация

Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 1.3) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.

Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая.

Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают.

В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла.

Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла.

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 (рис. 1.4.)

Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций 

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 = 13000 МПа, для меди =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.

Дислокации образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий внутри кристалла, они концентрируются, образуя полости в виде дисков. Если такие диски велики, то энергетически выгодно “захлопывание” их с образованием по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке.

2. В чём различие между упругой и пластической деформацией?
Между хрупким и вязким разрушением?

1. Упругость - свойство тел восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил или других причин, вызвавших деформацию тел. Для упругих деформаций справедлив закон Гука, согласно которому упругие деформации прямо пропорциональны вызывающим их внешним воздействиям а = Е|с|, где а - механическое напряжение, е - относительное удлинение, Е - модуль Юнга (модуль упругости). Упругость обусловлена взаимодействием и тепловым движением частиц, из которых состоит вещество.

Пластичность - свойство твердых тел под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после того, как действие этих сил прекратится.

Деформация называется упругой, если она исчезает после удаления вызвавшей её нагрузки, и пластической, если после снятия нагрузки она не исчезает (во всяком случае полностью). Все реальные твёрдые тела при деформации в большей или меньшей мере обладают пластическими свойствами. При некоторых условиях пластическими свойствами тел можно пренебречь, как это и делается в теории упругости. Твёрдое тело с достаточной точностью можно считать упругим, то есть не обнаруживающим заметных пластических деформаций, пока нагрузка не превысит некоторого предела.

Природа пластической деформации может быть различной в зависимости от температуры, продолжительности действия нагрузки или скорости деформации. При неизменной приложенной к телу нагрузке деформация изменяется со временем; это явление называется ползучестью. С возрастанием температуры скорость ползучести увеличивается. Частными случаями ползучести являются релаксация и последействие упругое. Одной из теорий, объясняющих механизм пластической деформации, является теория дислокаций в кристаллах.

2. Разрушение – процесс, включающий зарождение и развитие трещин. Разрушение может закончиться разделением тела на части.

Различают хрупкое разрушение, сопровождающееся минимальным поглощением энергии и малой предшествующей пластической деформацией, и вязкое (пластическое) разрушение, при котором материал обнаруживает значительную пластичность.

В общем случае при разрушении имеют место механизмы и пластического, и хрупкого разрушения. Их соотношение в значительной степени определяется температурой, при которой происходит разрушение. При комнатной температуре материалы условно разделяют на хрупкие (например, чугун) и пластичные (например, сталь) в зависимости от того, какой механизм разрушения преобладает.

Хрупкое разрушение характеризуется очень быстрым ростом трещины, причем это происходит без повышения действующих напряжений, т.е. для развития хрупкого разрушения не требуется подводить энергию извне, а достаточно запасенной упругой энергии разрушающейся конструкции. Для стали, скорость роста трещины достигает 2500 м/с.

Если в пластине, находящейся под действием растягивающих напряжений s, развивается перпендикулярная оси растяжения трещина длиной lтр, упругая энергия пластины уменьшается и одновременно затрачивается работа на создание двух свободных поверхностей – стенок трещины. Результирующее изменение энергии пластины зависит от соотношения вкладов этих двух составляющих разного знака.

В пластичных сталях при малых размерах деталей и трещин после достижения напряжением в вершине трещины значения, равного сопротивлению пластической деформации, возникающие деформации резко снижают уровень напряжений, и разрушение таких деталей становится вязким, сопровождаясь значительными пластическими деформациями. При больших трещинах предел текучести в вершине возрастает в 35 раз, что ведет, к хрупкому разрушению стали.

Вязкое разрушение характеризуется не только предшествующей ему большой пластической деформацией, но и медленным развитием трещины.

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 0,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре, и как такой сплав называется?

Этот сплав называется мартенсит. Мартенсит имеет очень высокую твёрдость, но он уступает по твёрдости цементиту, т.к. при такой структуре цели достигнуты не будут, которые ставятся перед закалкой, т.к. феррит – мягкая структура и такой вид термической обработки применяется редко и носит название неполной закалки.

Для выбора температуры закалки доэвтектойдных сталей существует формула:

Ас₃ + (30+50)?С – для углеродных сталей. 0,5%с – 0,48%с +0,5%с.

4. Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на нее кривую режима изотермической обработки, обеспечивающей получение твёрдости 50 HRC. Укажите, как это режим называется, опишите сущность превращения, и какая структура получается в данном случае.

В случаи, когда при охлаждении углеродистой стали (У8) обеспечивается твёрдость 50 ед. HRC.Это возможно при условии охлаждения в масле. В этом случае, когда охлаждают в масле, то такую термическую операцию называют закалкой. После охлаждения структура стали будет бейнит.

При охлаждении в масле скорость охлаждения будет меньше скорости критической, но тем ни менее достаточной, чтобы иметь бейнитную структуру при t?-250-300?, аустенит переохлажденный превращается в игольчатый бейнит. Этот процесс происходит по частично диффузионному, а в основном по без диффузионному механизму в нутрии металла происходит меж зерненный наклёв вследствие чего решетка аустенита становиться вытянутой (тетрагональной) и металл упрочняется.

5. С помощью диаграммы состояния железо – цементит опишите структурные превращения, происходящие, при нагреве стали У12. Укажите критические точки и выберите оптимальный режим нагрева этой стали под закалку. Охарактеризуйте процесс закалки, опишите получаемую структуру и свойства стали.

Сталь У12 содержит углерода 1,2 %, следовательно, она относиться к заэвтектойдным сталям. При нагреве этой стали от комнатной температуры, где она имеет структуру перлит + цементит и которая не меняется, до температуры 727?С. При этой температуре происходит превращение перлита в аустенит. Превращение происходит при постоянной температуре. После того как превращение полностью завершиться будет дальше повышаться температура, следовательно, происходит нагрев. Критическая точка Ас₁ будет равна 727?, т.е. той температурой при которой происходит превращение. При выборе температуры для закалки необходимо руководствоваться следующей формулой:

Ас₁+(30+50)?С

Эта рекомендация позволит учитывать следующие обстоятельства:

1. Чем выше температура над критической точкой Ас_{1 ,}тем более быстро происходит превращение П_ерл?А_су

2. Чем выше температура, тем более быстро и более полно происходит выравнивание по химическому составу в стали.

3. Чем меньше находится металл в печи, тем меньше он окисляется и меньше обезуглероживается его поверхностный слой.

4. Превышение температуры над критической точкой Ас₁ позволяет компенсировать погрешности измерения температуры прибором.

Нагрев выше указанных температур не рекомендуется, т.к. это может привести к росту зерна аустенита, что отрицательно сказывается на ударной вязкости металла, т.к. зерно мартенсита будет крупным. Наличие аустенита необходимо, т.к. после закалки место аустенита будет мартенсит, который образуется вследствии быстрого охлаждения и по без диффузионному механизму. Кубическая решетка, несколько увеличивается в длину и структура металла становиться игольчатой. Мартенсит имеет высокую твёрдость, а цементит имеет твердость еще выше. Поэтому наличие цементита положительно сказывается на твердости, прочности и износостойкости металла. Если нагревать выше критической точки Ас₃, то после закалки структура будет чисто мартенситной, что приведет к понижению твердости и износостойкости, кроме того, крупно мартенсита уменьшает ударную вязкость. Рекомендуемая среда охлаждения для рекомендуемой стали – вода. Несмотря на то, что при охлаждении в воде металл испытывает больше напряжение, но зато в этом случае достигается высокая твердость.