Материаловедение

 

Оглавление

Опишите строение и основные характеристики кристаллической решетки ниобия (параметры, координационное число, плотность упаковки). 3

Вычертите диаграмму состояния системы свинец-магний. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех частях диаграммы и объясните изменение свойств сплавов с помощью правил Курнакова. 5

Опишите механизм упругой и пластической деформаций реального (поликристаллического) металла. 9

Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, опишите структурные составляющие во всех частях диаграммы, опишите превращения и постойте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600°С (с применением правила фаз) для сплава содержащего 1,9%С. Выберите для рассматриваемого сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите: состав фаз, это значит процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношение фаз. 14

Основные точки диаграммы железо-углерод 14

Вычертите диаграмму изотермического превращения аустенита для стали У8, нанесите на ее кривую режима термической обработки, которая обеспечит получение твердости НВ550. Укажите, как режим называется, опишите сущность превращений. Какая структура получается в этом случае? 22

Литература 23

 

 

Опишите строение и основные характеристики кристаллической  решетки ниобия (параметры, координационное  число, плотность упаковки).

Ниобий (лат. Niobium), Nb, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 41, атомная масса 92,9064; металл серо-стального цвета. Элемент имеет один природный изотоп 93Nb.

Кларк ниобия 18 г/т. Содержания ниобия увеличивается от ультраосновных (0,2 г/т Nb) к кислым породам (24 г/т Nb). Ниобию всегда сопутствует тантал. Близкие химические свойства ниобия и тантала обуславливают совместное их нахождение в одних и тех же минералах и участие в общих геологических процессах. Ниобий способен замещать титан в ряде титансодержащих минералов (сфен, ортит, перовскит, биотит). Форма нахождения ниобия в природе может быть разной: рассеянной (в породообразующих и акцессорных минералах магматических пород) и минеральной. В общей сложности известно более 100 минералов, содержащих ниобий. Из них промышленное значение имеют лишь некоторые: колумбит-танталит (Fe, Mn)(Nb, Ta)2O6, пирохлор (Na, Ca, TR, U)2(Nb, Ta, Ti)2O6(OH, F) (Nb2O5 0 — 63 %), лопарит (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb)O3 ((Nb, Ta)2O5 8 — 10 %), иногда используются эвксенит, торолит, ильменорутил, а также минералы, содержащие ниобий в виде примесей (ильменит, касситерит, вольфрамит). В щелочных — ультраосновных породах ниобий рассеивается в минералах типа перовскита и в эвдиалите. В экзогенных процессах минералы ниобия и тантала, являясь устойчивыми, могут накапливаться в деллювиально-аллювиальных россыпях (колумбитовые россыпи), иногда в бокситах коры выветривания. Концентрация ниобия в морской воде 1·10−5 мг/л.

Кристаллическая решетка  ниобия объемноцентрированная кубическая с параметром а = 3,294Å. 

У кубической объемно-центрированной решетки плотность упаковки 68% и координационное число 8 приходится 68%:8=8,5%.

Рисунок 1. ОЦК решетка.

 

 

Вычертите диаграмму  состояния системы свинец-магний. Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состояниях, укажите структурные составляющие во всех частях диаграммы и объясните изменение свойств сплавов с помощью правил Курнакова.

Рис.2. Диаграмма   состояния  для  сплава   системы   магний + свинец ,  образующий  химическое соединение.

Эта  диаграмма   отличается   наличием максимума   на   кривой  кристаллизации  (точка  С).  Этот  максимум  отвечает  температуре  плавления  соединения Mg₂Pb.  На  диаграмме   имеются   две эвтектики Е₁ и Е₂.

 

Рис.3. Схематическая  диаграмма состояния  для  сплава   системы   магний + свинец ,  образующий  химическое соединение

Данную диаграмму  следует рассматривать как две  диаграммы состояния для сплавов  образующих механические смеси чистых компонентов (1-го рода): первая – для  системы  А –  Аn Вm  и вторая – для системы  В –  АnВm. 

На диаграмме  имеются две эвтектические точки  Е1 и  Е2. 

В этих точках из жидкости при температурах  TE1 и TE2  образуется две эвтектические  смеси, соответственно                                            

Е1 =  A  + АnВm,      Е2  =  B  + АnВm.   

 В результате после окончания затвердевания в структуру сплавов кроме чистых компонентов будут входить две эвтектики  Е1 и Е2.

Н.С. Курнаков показал определенную зависимость между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния и свойствами сплава (твердостью, электропроводностью и.т.д.).

Свойства  сплава зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава (рис. 4).

 

Рис. 4. Свойства сплавов и их диаграммы состояния

При образовании  непрерывного ряда твердых растворов  свойства (твердость, электропроводность и др.) изменяются по криволинейной зависимости (рис. 4, б).

Твердость компонентов  А и В ниже, чем твердость  сплавов.

При образовании  смесей (рис. 4, а) свойства сплава изменяются по линейному закону (аддитивно).

Значение  свойств сплавов находятся в  интервале между свойствами чистых компонентов.

При увеличении V_охл происходит измельчение структуры, в связи с этим свойства против эвтектики оказываются более высокими (пунктирная линия).

ESK – линия эвтектического превращения.

Т_А – температура плавления компонента А.

Т_АSТ_В – линия ликвидус.

В сплавах  с ограниченной растворимостью (рис. 4, в; диаграммы с эвтектическим или перитектическим превращениями) свойства при концентрациях, отвечающих однофазовому твердому раствору изменяются по криволинейной зависимости, а в двухфазовой области – по прямой. Крайние точки на прямой являются свойствами предельно насыщенных твердых растворов.

Линия EN – линия ограниченной растворимости В в А.

При образовании  химического соединения (рис. 4, г) на кривой концентрация – свойства, будет иметься максимум (или минимум) – а на прямой перелом.

Зная характер взаимодействия между двумя металлами  и тип диаграммы состав – свойства, можно легче и быстрее определить состав сплава, обеспечивающий наилучшие свойства.

 

 

Опишите механизм упругой и пластической деформаций реального (поликристаллического) металла.

Наличие  металлической  связи  придает  металлу  способность  к  пластической   деформации  и   к  самоупрочнению  в  результате   пластической   деформации.  Приложение  к  материалу  напряжения ( нагрузки )  вызывает  деформацию.

Деформацией   называется   изменение  размеров   или   формы   тела   под   действием   внешних   сил   либо  физико-механических  процессов,  протекающих   в  самом   теле  ( перепад  температур,  фазовые  превращения   и   т .п .). Деформация тела   сопровождается   относительным   смещением   атомов   из   положения   равновесия.  Свойства   недеформированного  и   пластически  деформированного металла различны.

Различают  упругую  и  пластическую деформацию ( рисунок  5.1).

Рис.  5.1 – Диаграмма                 Рис. 5.2 – Плоскости и  

             деформации                            направления  скольжения  

                                                              в  объёмно - центрированной 

                                                              кубической  решётки

Упругой  деформацией   называют  деформацию,  влияние   которой  на   форму,  структуру  и  свойства   тела   исчезают   после  снятия   нагрузки;  и  она  не   вызывает  заметных остаточных  изменений  в структуре и  свойствах металла.

Степень деформации

где

l₀ -  начальная длина ;

l₁ -  длина после деформации.

Способность  металлов   к   остаточной   деформации    называется  пластичностью. При   возрастании  касательных  напряжений  выше  определенной   величины  деформация  становится   необратимой.  При   снятии   нагрузки   исчезают  лишь  упругая     составляющая  деформации,  часть  же  деформации,  которую  называют  пластической,  остается .  При   пластической   деформации  необратимо изменяется  структура    металла,  а  следовательно,  и  его  свойства .

В  поликристаллических  телах  пластическая   деформация  может   осуществляться  как  путем   перемещений   внутри   зерна ( внутризёренная),  так  и  смещения зёрен относительно  друг  друга ( межзёренная).

В  основе     протекания     пластической     деформации    лежит   явление  зарождения  и   движения  дислокаций  под   действием  касательных  напряжений путем   сдвига  (скольжения)  отдельных   частей   кристалла  относительно   друг  друга  по  плоскостям   с  наиболее   плотным   расположением   атомов  ( рисунок 6).  В металлах   с ОЦК решеткой  сдвиг происходит   по  диагональным плоскостям  (110)  в направлении пространственных   диагоналей  (111) (могут быть и другие  плоскости скольжения). Пластическая   деформация   поликристаллических   тел   происходит весьма  неоднородно.   Это объясняется двумя обстоятельствами:

1) различной    ориентацией   кристаллов   относительно   приложенной   силы,  что приводит  к неодновременности деформации  разных зёрен; 

2) наличием  границ   зёрен  и   неметаллических   включений ,  препятствующих  перемещению  дислокаций и  вызывающих    их   локальное  скопление. 

Пластическая   деформация  в  основном   характеризуется   скольжением   и  двойникованием. 

Рис. 6 -  Схема сдвига  в   кристаллах

В  процессе    скольжения   возникают    новые   дислокации,  и   плотность  дислокаций  увеличивается.  В  недеформированном   кристалле  плотность  дислокаций  достигает 10⁶  см^-2,  а в сильнодеформированном   металле порядка 10¹² см^-2.

Пластическая   деформация  некоторых   металлов ,  имеющих  плотноупакованные  решетки   К12  и   Г 12,  кроме   скольжения,  может   осуществляться  двойникованием,  которое  заключается  в  переориентации   части  кристалла  в положение ,  симметричное  по  отношению  к   первой   части,  относительно  плоскости,  называемой плоскостью двойникования .

При   деформации    поликристалла    отдельные     зёрна    меняют    свою форму  (вытягиваются),  стремятся  принять  отдельную   кристаллографическую   ориентировку   вдоль  направления  действия   внешних   сил .  Изменение ориентировки   происходит  постепенно   по  мере  увеличения   степени  деформации .  При   большой   деформации  металл   приобретает  определенную  кристаллографическую  ориентировку  зёрен,  называемую текстурой.

а -  структура металла  до деформации;  б  -  волокнистая  структура деформированного металла;  в -  структура  металла после  большой  степени деформации

 Рис.7 -  Характер  изменения микроструктуры при пластической  деформации.

При   пластической   деформации  зёрна  металла  вытягиваются   в  направлении   прокатки ,  волочения  и   принимают   форму   листочков  или   волокон  ( рисунок  7  б ).  При   больших   степенях   деформации  зёрна разбиваются на   большее число фрагментов  и   блоков ,  увеличивается травимость   металла,  и   микроструктура выявляется  нечетко ( рисунок 7  в).

Образование  текстуры   деформации  способствует   тому,  что  поликристаллический   металл   становится   анизотропным ( свойства   его  изменяются  в зависимости  от   направления  испытания ).  Изменение  механических  свойств  технического  железа  зависит  от  степени холодной пластической  деформации. Упрочнение  металла  в  процессе   пластической   деформации -  наклёп объясняется   увеличением   числа  дефектов   кристаллического   строения  ( дислокаций,  вакансий,  межузельных   атомов ).  Пластическая   деформация  приводит  к  изменению   физических  свойств  металла:  увеличиваются  искажения  решетки   и ,  следовательно,  его  внутренняя   энергия,  растут   твердость  и   прочность,  увеличивается  электрическое  сопротивление,  уменьшается   пластичность.  Деформация  происходит  не   только   в  результате   приложения  внешних  сил ,  но  и   в  результате   фазовых  превращений .  Все  они   приводят   к  наклёпу.

Наклёпанные   металлы  более  склонны   к  коррозионному   разрушению  при   эксплуатации.

С  увеличением   степени  холодной  деформации  характеристики   прочности ( предел   прочности,  предел   текучести,  твёрдость)  возрастают ,  а  характеристики  пластичности   падают.  После  деформирования  у   металла  со   степенью деформации  до 70 %  предел   прочности  и   твёрдость  возрастают   до 3 раз,  а предел   текучести -  до 8 раз,  при   этом  относительное  удлинение   снижается  до 40 раз.

Структурное  состояние  пластически  деформированного  металла  термодинамически   неустойчивое.  При   нагреве  пластически  деформированный  металл   постепенно   восстанавливает  свою  структуру  и   снова  переходит  в устойчивое  состояние.

Степень  и   характер   деформации,  температура,  скорость   и   продолжительность  нагрева  влияют  на   устранение   наклёпа  и   изменения  в  структуре  и свойствах  металла.  Различают   две  стадии   процесса   при   нагреве:  возврат ( отдых   и   полигонизация)  и   рекристаллизация  ( первичная,  собирательная  и   вторичная ).

 

Вычертите диаграмму  состояния железо-карбид железа, опишите  структурные составляющие во всех частях диаграммы, опишите превращения  и постойте кривую нагревания в интервале  температур от 0 до 1600°С (с применением правила фаз) для сплава содержащего 1,9%С. Выберите для рассматриваемого сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите: состав фаз, это значит процентное содержание углерода в фазах; количественное соотношение фаз.

Рис. 8. Диаграмма железо-цементит.

Основные  точки диаграммы железо-углерод

А – точка, соответствующая  плавлению – кристаллизации чистого  железа. Температура, отвечающая этой точке 1539 °С. Число степеней свободы  в этой точке равно нулю. На термических  кривых для чистого железа температуре  точки А соответствуют горизонтальные площадки, которые возникают за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации. Переход из твердого в жидкое состояние, соответствующий точке А, сопровождается резким увеличением объема (около 6%), связанным с нарушением дальнего порядка в кристаллическом строении d-железа. При кристаллизации чистого железа в этой точке наблюдаются обратные явления.